Fotonica voor een sneller Internet

Een grote uitdaging binnen de fotonica is het nauwkeurig uitlijnen van de fotonische chips, lenzen en spiegels die in minuscule componenten worden gebruikt. Onderzoeker Marcel Tichem werkt aan een methode om dit onderdeel van de assemblage binnen de component zelf te laten plaatsvinden, zogenaamde ‘on-chip assembly’. Daarmee kan de productie nauwkeuriger en veel sneller verlopen dan met de huidige handmatige productieprocessen. Een veelbelovende toepassing voor dit nieuwe assemblageconcept zijn componenten voor de overdracht van data via glasvezelkabels.

Marcel Tichem is als universitair hoofddocent verbonden aan de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) van de TU Delft. Zijn vakgebied is de wereld van de hightechsystemen, waar precisie, snelheid en betrouwbaarheid essentieel zijn. “Bedrijven als ASM International, NXP, ASML en FEI produceren complexe machines en instrumenten die topprestaties leveren. Wij ontwikkelen nieuwe concepten voor de positionering en besturing van precisiesystemen en microsystemen en voor geautomatiseerd ontwerp”, vertelt Tichem. “Zulke concepten maken het mogelijk om te voldoen aan de hoge eisen die optische systemen stellen aan bijvoorbeeld de nauwkeurige uitlijning van lenzen en spiegels.”

Dataoverdracht via glasvezel

Een van de toepassingen van Tichems werk is dataoverdracht via glasvezel. De bandbreedte van traditionele koperkabel is beperkt, net als de hoeveelheid data die kan worden verzonden, maar de vraag naar dataverkeer blijft groeien. Internet dreigt zelfs vast te lopen als gevolg van de explosieve toename van online video en mobiel dataverkeer. En dan is er nog de factor duurzaamheid. “Kopertechnologie is niet echt energie-efficiënt”, legt hij uit. “Daarom hebben grote datacentra altijd nog veel grotere koelsystemen, vaak in een havengebied zodat er voldoende koelwater beschikbaar is.” Glasvezel kan een oplossing vormen voor beide problemen. “Je kunt via een glasvezelkabel veel meer data doorgeven, zonder dat er overtollige warmte wordt gegenereerd.”

“Fotonische chips werken met licht in plaats van elektrische signalen. Ze kunnen lichtgolven waarnemen en produceren, die van golflengte veranderen enzovoort”, vertelt Tichem. “Maar zulke functies op microformaat zijn bijzonder lastig te produceren. Stel je eens voor: je moet een piepkleine laserbron maken die een stabiele straal uitzendt en dat gedurende jaren kan blijven doen.” Maar na jarenlang onderzoek is Nederland een van de koplopers geworden op het gebied van de ontwikkeling van fotonische chips, en PIC’s (Photonic Integrated Circuits, de optische versie van traditionele elektronische microchips) kunnen voor een redelijke prijs worden geproduceerd. Maar fotonica is een orde van grootte complexer dan elektronica. Fotonische componenten, ook wel ‘packages’ genoemd, bevatten naast PIC’s ook micro‐optica en elektronische onderdelen.

On-chip MEMS voor de uitlijning van fotonica

“Zo’n package is in feite een complex fotonisch systeem. Met name doordat alle onderdelen moeten worden geïntegreerd en uitgelijnd is de assemblage bijzonder complex, en de industrie beschikt nog niet over de technologie om dat proces te automatiseren”, aldus Tichem. Maar daar gaat hij verandering in brengen: zijn huidige onderzoek is gericht op micro-elektromechanische systemen (MEMS) voor de uitlijning van fotonische onderdelen op een chip. “We integreren piepkleine mechanische systemen op de chip, die kunnen helpen met de uitlijning van de fotonische onderdelen.” Dit onderzoek maakt deel uit van een project van STW en het door de EU gefinancierde project PHASTFlex (Photonic Hybrid Assembly Through Flexible Waveguides), waarbij onderzoek wordt gedaan naar geautomatiseerde assemblagesystemen om in te spelen op de behoeften van de datacommunicatiesector. Binnen dit project wordt samengewerkt met belangrijke Europese spelers die actief zijn op het gebied van toepassingen en fotonische chips (LioniX, Oclaro) of precisie-assemblage (ficonTEC, Aifotec).

Een eerste mijlpaal op de weg naar volledige automatisering zou de automatische uitlijning van twee PIC’s binnen één package zijn. “Bij het assembleren van elektronica kunnen machines duizenden chips per uur oppakken en plaatsen. Bij de assemblage van optica wordt dat nog altijd door een mens gedaan, met behulp van microscopen en zogenaamde precisie manipulatoren”, vertelt Tichem. Binnen het PHASTFlex-project wordt gewerkt aan een proces dat uit twee stappen bestaat. Eerst pakt een machine de PIC’s op en plaatst deze met een nauwkeurigheid van enkele micrometers op een substraat. De machines kunnen dat, maar voor een echt perfecte plaatsing is dat nog veel te onnauwkeurig. Dat is de taak van de MEMS op de chip. “Op een van de chips integreren we een assemblagemachine die bestaat uit piepkleine actuatoren. Met behulp daarvan kun je de positionering van de lichtgolven van de flexibele golfgeleiders op de ene chip heel nauwkeurig uitlijnen ten opzichte van de andere chip.” Zoals de naam suggereert wordt deze functionaliteit puur met assemblage als doel toegevoegd. “Die gebruik je maar één keer. Dit neemt ruimte in beslag op je chip en kost geld, maar je moet dat zien in vergelijking met de huidige productiemethodes, die heel arbeidsintensief zijn.”

PME

De afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) is een van de afdelingen van de TU Delft die werken aan technologieën die kunnen worden toegepast binnen de optica. De missie van PME is om fenomenen en technologieën van de kleine lengteschaal te benutten om baanbrekende innovatie te realiseren op het gebied van slimme materialen, systemen en apparaten. “We houden ons met name bezig met mechatronica, ofwel systemen die heel nauwkeurig moeten kunnen bewegen”, legt Tichem uit. “De optica is slechts één toepassingsgebied.

Slimme materialen geven nieuwe mogelijkheden voor verbeterde prestaties van systemen. Tichem: “Binnen de optica is de uitlijning van spiegels en lenzen van kritiek belang. Die uitlijning kan echter veranderen, bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen. Je kunt de gevolgen daarvan minimaliseren door een constructie te ontwerpen waarvan bepaalde onderdelen niet uitzetten onder de invloed van warmte.” Dat wordt topologie-optimalisatie genoemd, een vakgebied dat ook van belang is voor de moderne technologie van 3D-printen.

Optische technologieën – in de context van optische microsystemen ook wel fotonica genoemd – zijn in opkomst. Een toekomstige leerstoel van deze afdeling zal zich uitsluitend toeleggen op micro-optica en opto-mechatronica. De afdeling werkt al aan de ontwikkeling van belangrijke ondersteunende technologieën “Veel van wat we hier doen kan door anderen worden gebruikt om optische systemen te verbeteren, van medische instrumenten en inspectiecamera’s tot meetinstrumenten.”

De afdeling PME heeft het NanoEngineering research Initiative (NERI) geïnitieerd. Het doel van NERI is nanowetenschap te vertalen naar industrieel relevante toepassingen: Nano from lab to app. Deze uitdaging vereist lange-termijn samenwerking met bedrijven, academia en andere onderzoek instellingen. PME neemt ook deel aan het recent geïnitieerde Dutch Optics Center (DOC).  

Kijk voor meer informatie op http://www.phastflex.eu/ of neem contact op met dr. Marcel Tichem (m.tichem@tudelft.nl).