Geautomatiseerde uitlijning van optische vezels vermindert fouten en kosten bij de productie van fotonische chips
Onderzoeker Matthijs Van Gastel heeft een nieuwe assemblagemachine gebouwd voor fotonische vezel-arrays
Fotonische chips kunnen met hun zeer snelle en energie-efficiënte overdracht van data in de toekomst een cruciale rol gaan spelen in toepassingen zoals zelfrijdende auto’s of medische beeldvorming. Het gebruik in de praktijk wordt momenteel nog tegengehouden door de aanzienlijke kosten die gemoeid zijn met de productie van deze chips. Promovendus Matthijs van Gastel heeft nieuwe manieren ontwikkeld om fotonische chips te assembleren met behulp van lijm, die nauwkeurig zijn op sub-micrometerschaal. De onderzoeker bij de groep Control Systems Technology van de faculteit Mechanical Engineering verdedigde zijn proefschrift op 25 maart.
In de huidige maatschappij neemt de behoefte aan snelle overdracht van data exponentieel toe. Fotonische chips kunnen daaraan aan belangrijke bijdrage leveren: ze maken energie-efficiënte datatransmissie mogelijk met hoge bandbreedte. Deze chips gebruiken namelijk licht om informatie over te dragen, in plaats van elektronen zoals bij conventionele elektronische chips.
Fotonische chips maken tal van nieuwe toepassingen mogelijk, zoals sensoren voor zelfrijdende auto's of nieuwe medische beeldvormingstechnieken. De assemblage en verpakking van fotonische chips worden steeds belangrijker om grootschalige toepassing ervan mogelijk te maken. Deze processen maken momenteel naar schatting meer dan 50 procent uit van de totale kosten van een fotonisch apparaat.
Met name de koppeling van optische vezels, die worden gebruikt om licht in en uit het fotonische apparaat te geleiden, is kritisch, aangezien zij op zeer kleine schaal (submicrometer) uitgelijnd moeten worden. De huidige methoden voor het uitlijnen van optische vezels kunnen niet aan deze eisen voldoen of zijn niet geschikt voor productie op grote schaal. Bovendien zijn ze vaak arbeidsintensief en tijdrovend.
Optische fiber-array
In zijn proefschrift beschrijft Van Gastel de ontwikkeling van een nieuwe optische fiber-array voor een efficiënte koppeling van meerdere vezels aan fotonische chips, die nauwkeurig is op de sub-micrometer schaal.
Het eerste deel van het proefschrift richt zich op de ontwikkeling van het nieuwe fiber-array. In dit array worden meerdere optische vezels naast elkaar geplaatst en met lijm gefixeerd op een glasplaat. De huidige fiber-arrays hebben moeite om de benodigde zeer nauwkeurige uitlijning voor fotonische chips te bereiken, omdat ze niet in staat zijn de variatie in productiekwaliteit (de zogenaamde productietoleranties) van optische vezels te compenseren. In het nieuwe fiber-array wordt de positie van de vezel gemeten met behulp van een camerasysteem om deze productietoleranties te compenseren.
De lijm kan dan worden uitgehard om de vezel aan de glasplaat te bevestigen. Lijm is gevoelig voor krimp die de uitlijning van de vezels kan verstoren. Het heeft ook de neiging in de loop der jaren langzaam van vorm te veranderen, wat de uitlijning van de vezels kan verstoren. Van Gastel voerde simulaties en experimenten uit om de geschiktheid van het lijmbevestigingsproces voor de uitlijning van de vezels te onderzoeken. De resultaten toonden een zeer voorspelbaar gedrag van het lijmproces, waardoor het geschikt is voor de uitlijning van optische vezels.
Ontwerp van de assemblagemachine voor de optische vezel-array
Het tweede deel van het proefschrift was gericht op het ontwerp van een assemblagemachine voor het nieuwe vezel-array. Hiervoor maakte de onderzoeker gebruik van automatisering, waardoor een zeer nauwkeurige uitlijning van de vezels kon worden gegarandeerd, terwijl tegelijkertijd de kosten werden verlaagd en de verwerkingscapaciteit verhoogd.
Het machineontwerp bestaat uit drie translatorische bewegingsassen die de vezels op het substraat uitlijnen in de meest kritische richtingen. De ontworpen bewegingsassen zijn zeer nauwkeurig: ze zijn in staat de vezels nauwkeurig op de nanometer uit te lijnen. Dankzij het compacte en modulaire ontwerp kan de uitlijnmachine gemakkelijk worden uitgebreid naar grotere productielijnen.
Van ontwerp naar machine
Tijdens dit promotieonderzoek bouwde en testte Van Gastel ook een hardwarematige realisatie van het machineontwerp. De machine is in staat om een array van 16 vezels binnen 4 minuten te assembleren, aanzienlijk sneller dan traditionele vezeluitlijnmethoden, die er per vezel tussen de 2 minuten tot 1 uur over doen.
Bovendien vertoonden de geassembleerde arrays een 8 tot 18 maal kleinere uitlijningsfout in vergelijking met de momenteel gebruikte fiber-arrays.
Het onderzoek van Van Gastel kan daarom een belangrijke stap zijn op weg naar grootschalige aanpassing van fotonische chips door te voorzien in een sneller, nauwkeuriger en meer kosteneffectief assemblageproces van optische vezels.
Titel van proefschrift: Automated Sub-micron Accurate Optical Fiber Alignment for Photonic Applications. Begeleiders: Maarten Steinbuch (eerste promotor), Hans Vermeulen (tweede promotor), Theo Ruijl (co-promotor).
