I chip fotonici possono svolgere un ruolo cruciale in applicazioni come la guida autonoma o l'imaging medico grazie alla loro capacità di trasmissione dei dati estremamente veloce ed efficiente dal punto di vista energetico. Però, la loro adozione è attualmente frenata dal notevole costo che comporta la produzione di tali dispositivi. dottorato di ricerca il candidato Matthijs van Gastel ha sviluppato nuovi modi di assemblare dispositivi fotonici usando la colla, che è preciso alla scala sub-micrometrica. Il 25 marzo il ricercatore del gruppo Tecnologie dei sistemi di controllo del dipartimento di Ingegneria meccanica ha difeso la sua tesi.

Nella società odierna, la necessità di trasmissione dei dati sta crescendo in modo esponenziale. I chip fotonici mostrano un grande potenziale per la trasmissione di dati ad alta efficienza energetica con un'elevata larghezza di banda. Questi chip si basano sul trasferimento di informazioni basato sulla luce rispetto agli elettroni nei chip elettrici convenzionali.

I chip fotonici consentono molte nuove applicazioni come sensori per auto a guida autonoma o nuove tecniche di imaging medico. Un problema sempre più importante per consentire l'adozione su larga scala di chip fotonici è il loro assemblaggio e confezionamento. Attualmente si stima che questi processi rappresentino oltre il 50 percento del costo totale di un dispositivo fotonico.

In particolare l'accoppiamento di fibre ottiche, che vengono utilizzati per guidare la luce dentro e fuori il dispositivo fotonico, è fondamentale in quanto richiedono un allineamento sub-micrometrico. Gli attuali metodi di allineamento delle fibre non possono far fronte a questi requisiti di allineamento o non sono adatti per la produzione su larga scala. Per di più, i metodi attuali sono spesso laboriosi e richiedono molto tempo.

Matrice di fibre ottiche

Nella sua tesi Van Gastel descrive lo sviluppo di un nuovo array di fibre ottiche per l'accoppiamento efficiente di più fibre a chip fotonici che è accurato su una scala sub-micrometrica.

La prima parte della tesi si concentra sullo sviluppo del nuovo array in fibra ottica. In questa matrice più fibre ottiche sono posizionate una accanto all'altra e fissate a una lastra di vetro mediante colla. Gli attuali array di fibre fanno fatica a raggiungere l'allineamento accurato al di sotto del micrometro per i chip fotonici poiché non sono in grado di compensare la variazione nella qualità di produzione (le cosiddette tolleranze di produzione) delle fibre ottiche. Nel nuovo array di fibre la posizione della fibra viene misurata utilizzando un sistema di telecamere per compensare queste tolleranze di produzione.

La colla può quindi essere polimerizzata per fissare la fibra alla lastra di vetro. La colla è soggetta a restringimenti che possono disturbare l'allineamento delle fibre. Inoltre tende a cambiare lentamente forma nel corso degli anni, che possono disturbare l'allineamento delle fibre. Il ricercatore ha eseguito simulazioni ed esperimenti per studiare l'idoneità del processo di fissazione della colla per l'allineamento delle fibre. I risultati hanno mostrato un comportamento molto prevedibile del processo di incollaggio che lo rende adatto all'allineamento della fibra ottica.

Progettazione della macchina per l'assemblaggio di array di fibre

La seconda parte della tesi si è concentrata sulla progettazione di una macchina di assemblaggio per l'array in fibra ottica di nuova concezione. Per questo, il ricercatore ha utilizzato l'automazione, garantendo così un allineamento delle fibre ad alta precisione riducendo contemporaneamente i costi e aumentando la produttività.

Il design della macchina è costituito da tre assi di movimento traslatorio per allineare le fibre sul substrato nelle direzioni di allineamento più critiche. Gli assi di movimento progettati ad alta precisione sono in grado di allineare le fibre con una precisione nanometrica. Grazie al suo design compatto e modulare, la macchina di allineamento può essere facilmente ampliata a linee di produzione più grandi.

Dal progetto alla macchina

Durante questo dottorato ricerca Van Gastel ha anche costruito e testato una realizzazione hardware del design della macchina. La macchina è in grado di assemblare un array di 16 fibre in quattro minuti, significativamente più veloce rispetto ai tradizionali metodi di allineamento delle fibre, che può richiedere da due minuti a un'ora per singola fibra.

Per di più, gli array assemblati hanno mostrato un errore di allineamento approssimativamente corretto fino a 18 volte inferiore rispetto agli array di fibre attualmente impiegati.

Questa ricerca può quindi essere un passo importante per consentire l'adattamento su larga scala dei chip fotonici fornendo un più veloce, processo di assemblaggio delle fibre ottiche più accurato ed economico.