Fotonische chips kunnen een cruciale rol spelen in toepassingen zoals autonoom rijden of medische beeldvorming vanwege hun capaciteit voor extreem snelle en energiezuinige gegevensoverdracht. Echter, hun adoptie wordt momenteel belemmerd door de aanzienlijke kosten die gemoeid zijn met de productie van deze apparaten. doctoraat kandidaat Matthijs van Gastel heeft nieuwe manieren ontwikkeld om fotonische apparaten te assembleren met behulp van lijm, die nauwkeurig is op de submicrometerschaal. De onderzoeker bij de leerstoelgroep Control Systems Technology van de faculteit Werktuigbouwkunde verdedigde op 25 maart zijn proefschrift.

In de maatschappij van vandaag, de behoefte aan datatransmissie groeit exponentieel. Fotonische chips tonen een groot potentieel voor energie-efficiënte datatransmissie met hoge bandbreedte. Deze chips vertrouwen op informatieoverdracht op basis van licht, in tegenstelling tot elektronen in de conventionele elektrische chips.

Fotonische chips maken veel nieuwe toepassingen mogelijk, zoals sensoren voor autonoom rijdende auto's of nieuwe medische beeldvormingstechnieken. Een steeds belangrijker probleem voor het op grote schaal toepassen van fotonische chips is hun assemblage en verpakking. Deze processen maken momenteel naar schatting meer dan 50 procent uit van de totale kosten van een fotonisch apparaat.

Vooral de koppeling van optische vezels, die worden gebruikt om licht in en uit het fotonische apparaat te leiden, is van cruciaal belang omdat ze uitlijning onder de micrometer vereisen. De huidige vezeluitlijningsmethoden kunnen deze uitlijningsvereisten niet aan of zijn niet geschikt voor grootschalige productie. Verder, de huidige methoden zijn vaak arbeidsintensief en tijdrovend.

Optische vezelarray

In zijn proefschrift beschrijft Van Gastel de ontwikkeling van een nieuwe optische vezelarray voor het efficiënt koppelen van meerdere vezels aan fotonische chips die nauwkeurig is op submicrometerschaal.

Het eerste deel van het proefschrift richt zich op de ontwikkeling van de nieuwe optische vezelarray. In deze array worden meerdere optische vezels naast elkaar gepositioneerd en met lijm op een glasplaat gefixeerd. Huidige vezelarrays hebben moeite om de submicrometer nauwkeurige uitlijning voor fotonische chips te bereiken, omdat ze niet in staat zijn om de variatie in productiekwaliteit (de zogenaamde productietoleranties) van optische vezels te compenseren. In de nieuwe fiber array wordt de positie van de fiber gemeten met behulp van een camerasysteem om deze productietoleranties te compenseren.

De lijm kan vervolgens worden uitgehard om de vezel op de glasplaat te fixeren. Lijm is gevoelig voor krimp die de vezeluitlijning kan verstoren. Het heeft ook de neiging om in de loop van de jaren langzaam van vorm te veranderen, die de vezeluitlijning kunnen verstoren. De onderzoeker voerde simulaties en experimenten uit om de geschiktheid van het lijmfixatieproces voor vezeluitlijning te onderzoeken. De resultaten toonden een zeer voorspelbaar gedrag van het lijmproces, waardoor het geschikt is voor het uitlijnen van optische vezels.

Het ontwerpen van de fiber array-assemblagemachine:

Het tweede deel van het proefschrift was gericht op het ontwerp van een assemblagemachine voor de nieuw ontwikkelde optische vezelarray. Voor deze, de onderzoeker gebruikte automatisering, waardoor een zeer nauwkeurige vezeluitlijning wordt gegarandeerd en tegelijkertijd de kosten worden verlaagd en de doorvoer wordt verhoogd.

Het machineontwerp bestaat uit drie translatiebewegingsassen om de vezels op het substraat in de meest kritische uitlijningsrichtingen uit te lijnen. De ontworpen bewegingsassen met hoge precisie zijn in staat om de vezels uit te lijnen met nanometer-nauwkeurigheid. Door het compacte en modulaire ontwerp, de uitlijnmachine is eenvoudig uit te breiden naar grotere productielijnen.

Van ontwerp tot machine

Tijdens deze Ph.D. onderzoek Van Gastel bouwde en testte ook een hardware-realisatie van het machineontwerp. De machine is in staat om binnen vier minuten een array van 16 vezels samen te stellen, aanzienlijk sneller dan traditionele vezeluitlijningsmethoden, wat tussen de twee minuten tot een uur per enkele vezel kan duren.

Verder, de geassembleerde arrays vertoonden ongeveer 18 keer kleinere uitlijningsfouten in vergelijking met de momenteel gebruikte fiberarrays.

Dit onderzoek kan daarom een ​​belangrijke stap zijn om grootschalige adaptatie van fotonische chips mogelijk te maken door een snellere, nauwkeuriger en kosteneffectiever assemblageproces van optische vezels.