Fotoniska chips kan spela en avgörande roll i applikationer som autonom körning eller medicinsk bildbehandling på grund av deras kapacitet för extremt snabb och energieffektiv dataöverföring. Dock, deras antagande hålls för närvarande tillbaka av de avsevärda kostnaderna för produktionen av dessa enheter. Ph.D. kandidat Matthijs van Gastel har utvecklat nya sätt att montera fotoniska enheter med lim, vilket är exakt på submikrometerskalan. Forskaren vid Styrsystemteknikgruppen vid institutionen för maskinteknik disputerade den 25 mars.

I dagens samhälle, behovet av dataöverföring växer exponentiellt. Fotonchip visar stor potential för energieffektiv dataöverföring med hög bandbredd. Dessa chips är beroende av informationsöverföring baserad på ljus i motsats till elektroner i de konventionella elektriska chipsen.

Fotoniska chips möjliggör många nya applikationer som sensorer för självkörande bilar eller nya medicinska avbildningstekniker. En allt viktigare fråga för att möjliggöra storskalig användning av fotoniska chip är deras montering och förpackning. Dessa processer beräknas för närvarande stå för mer än 50 procent av den totala kostnaden för en fotonisk enhet.

Speciellt kopplingen av optiska fibrer, som används för att leda ljus in och ut ur den fotoniska enheten, är avgörande eftersom de kräver submikrometerjustering. Nuvarande fiberinriktningsmetoder kan antingen inte klara av dessa anpassningskrav eller är inte lämpliga för storskalig produktion. Vidare, nuvarande metoder är ofta arbetskrävande och tidskrävande.

Optisk fiber array

I sin avhandling beskriver Van Gastel utvecklingen av en ny optisk fibermatris för effektiv koppling av flera fibrer till fotoniska chip som är exakt i en submikrometerskala.

Den första delen av avhandlingen fokuserar på utvecklingen av den nya optiska fibermatrisen. I denna uppsättning är flera optiska fibrer placerade bredvid varandra och fixerade till en glasplatta med lim. Nuvarande fibermatriser kämpar för att nå submikrometerns exakta inriktning för fotoniska chip eftersom de inte kan kompensera för variationen i produktionskvalitet (så kallade produktionstoleranser) för optiska fibrer. I den nya fiberuppsättningen mäts fiberns position med hjälp av ett kamerasystem för att kompensera för dessa produktionstoleranser.

Limmet kan sedan härdas för att fixera fibern till glasplattan. Lim är benäget att krympa som kan störa fiberinriktningen. Det tenderar också att långsamt ändra form med åren, vilket kan störa fiberinriktningen. Forskaren utförde simuleringar och experiment för att undersöka limfixeringsprocessens lämplighet för fiberuppriktning. Resultaten visade ett mycket förutsägbart beteende hos limprocessen, vilket gör den lämplig för optisk fiberinriktning.

Designa fiber array monteringsmaskin

Den andra delen av avhandlingen fokuserade på designen av en monteringsmaskin för den nyutvecklade optiska fibermatrisen. För detta, forskaren använde automatisering, vilket säkerställer en hög noggrann fiberinriktning samtidigt som kostnaderna minskas och genomströmningen ökar.

Maskinkonstruktionen består av tre translationella rörelseaxlar för att rikta in fibrerna på substratet i de mest kritiska inriktningsriktningarna. De designade rörelseaxlarna med hög precision kan rikta in fibrerna med nanometernoggrannhet. På grund av sin kompakta och modulära design, uppriktningsmaskinen kan enkelt byggas ut till större produktionslinjer.

Från design till maskin

Under denna Ph.D. forskning Van Gastel byggde och testade också en hårdvaruförverkligande av maskindesignen. Maskinen kan sätta ihop en 16-fiber array inom fyra minuter, betydligt snabbare än traditionella fiberinriktningsmetoder, vilket kan ta mellan två minuter till en timme per enskild fiber.

Vidare, de sammansatta arrayerna visade ungefär 18 gånger mindre inriktningsfel jämfört med de för närvarande använda fiber arrayerna.

Denna forskning kan därför vara ett viktigt steg för att möjliggöra storskalig anpassning av fotonchip genom att tillhandahålla en snabbare, mer exakt och mer kostnadseffektiv monteringsprocess av optiska fibrer.