Los chips fotónicos pueden desempeñar un papel crucial en aplicaciones como la conducción autónoma o la obtención de imágenes médicas debido a su capacidad para una transmisión de datos extremadamente rápida y energéticamente eficiente. Sin embargo, su adopción se ve frenada actualmente por el considerable coste que implica la producción de estos dispositivos. Doctor. El candidato Matthijs van Gastel ha desarrollado nuevas formas de ensamblar dispositivos fotónicos utilizando pegamento, que es precisa en la escala submicrométrica. El investigador del grupo de Tecnología de Sistemas de Control del departamento de Ingeniería Mecánica defendió su tesis el pasado 25 de marzo.

En la sociedad de hoy, la necesidad de transmisión de datos está creciendo exponencialmente. Los chips fotónicos muestran un gran potencial para la transmisión de datos energéticamente eficiente con un gran ancho de banda. Estos chips se basan en la transferencia de información basada en la luz en contraposición a los electrones en los chips eléctricos convencionales.

Los chips fotónicos permiten muchas aplicaciones nuevas, como sensores para automóviles de conducción autónoma o nuevas técnicas de imágenes médicas. Un tema cada vez más importante para permitir la adopción a gran escala de chips fotónicos es su ensamblaje y empaque. Actualmente, se estima que estos procesos representan más del 50 por ciento del costo total de un dispositivo fotónico.

Especialmente el acoplamiento de fibras ópticas, que se utilizan para guiar la luz dentro y fuera del dispositivo fotónico, es fundamental ya que requieren una alineación submicrométrica. Los métodos actuales de alineación de fibras no pueden hacer frente a estos requisitos de alineación o no son adecuados para la producción a gran escala. Es más, Los métodos actuales suelen ser laboriosos y requieren mucho tiempo.

Matriz de fibra óptica

En su tesis, Van Gastel describe el desarrollo de una nueva matriz de fibra óptica para el acoplamiento eficiente de múltiples fibras a chips fotónicos que es precisa a una escala submicrométrica.

La primera parte de la tesis se centra en el desarrollo de la nueva matriz de fibra óptica. En esta matriz, se colocan varias fibras ópticas una al lado de la otra y se fijan a una placa de vidrio con pegamento. Las matrices de fibra actuales luchan por alcanzar la alineación precisa submicrométrica para chips fotónicos, ya que no pueden compensar la variación en la calidad de producción (las llamadas tolerancias de producción) de las fibras ópticas. En la nueva matriz de fibra, la posición de la fibra se mide utilizando un sistema de cámara para compensar estas tolerancias de producción.

A continuación, se puede curar el pegamento para fijar la fibra a la placa de vidrio. El pegamento tiende a encogerse, lo que puede alterar la alineación de la fibra. También tiende a cambiar de forma lentamente a lo largo de los años, que puede interrumpir la alineación de la fibra. El investigador realizó simulaciones y experimentos para investigar la idoneidad del proceso de fijación del pegamento para la alineación de las fibras. Los resultados mostraron un comportamiento muy predecible del proceso de encolado, lo que lo hace adecuado para la alineación de fibra óptica.

Diseño de la máquina de ensamblaje de matriz de fibra

La segunda parte de la tesis se centró en el diseño de una máquina de ensamblaje para la matriz de fibra óptica recientemente desarrollada. Para esto, el investigador utilizó la automatización, asegurando así una alineación de fibra de alta precisión al mismo tiempo que se reducen los costos y se aumenta el rendimiento.

El diseño de la máquina consta de tres ejes de movimiento de traslación para alinear las fibras sobre el sustrato en las direcciones de alineación más críticas. Los ejes de movimiento de alta precisión diseñados son capaces de alinear las fibras con precisión nanométrica. Debido a su diseño compacto y modular, la máquina de alineación se puede ampliar fácilmente a líneas de producción más grandes.

Del diseño a la máquina

Durante este Ph.D. investigación Van Gastel también construyó y probó una realización de hardware del diseño de la máquina. La máquina puede ensamblar una matriz de 16 fibras en cuatro minutos, significativamente más rápido que los métodos tradicionales de alineación de fibra, que puede tardar entre dos minutos y una hora por fibra.

Es más, las matrices ensambladas mostraron errores de alineación aproximadamente desde la derecha hasta 18 veces menores en comparación con las matrices de fibra empleadas actualmente.

Por lo tanto, esta investigación puede ser un paso importante para permitir la adaptación a gran escala de chips fotónicos al proporcionar una Proceso de ensamblaje de fibras ópticas más preciso y rentable.