Os chips fotônicos podem desempenhar um papel crucial em aplicações como direção autônoma ou imagens médicas devido à sua capacidade de transmissão de dados extremamente rápida e com baixo consumo de energia. Contudo, sua adoção é atualmente travada pelo custo considerável envolvido na produção desses dispositivos. Ph.D. candidato Matthijs van Gastel desenvolveu novas maneiras de montar dispositivos fotônicos usando cola, que é preciso na escala submicrométrica. O pesquisador do grupo de Tecnologia de Sistemas de Controle do departamento de Engenharia Mecânica defendeu sua tese no dia 25 de março.

Na sociedade de hoje, a necessidade de transmissão de dados está crescendo exponencialmente. Os chips fotônicos apresentam grande potencial para transmissão de dados com eficiência energética e alta largura de banda. Esses chips dependem da transferência de informações com base na luz, em oposição aos elétrons nos chips elétricos convencionais.

Os chips fotônicos permitem muitas novas aplicações, como sensores para direção autônoma de carros ou novas técnicas de imagens médicas. Uma questão cada vez mais importante para permitir a adoção em larga escala de chips fotônicos é sua montagem e embalagem. Estima-se que esses processos representem mais de 50% do custo total de um dispositivo fotônico.

Especialmente o acoplamento de fibras ópticas, que são usados ​​para guiar a luz para dentro e para fora do dispositivo fotônico, é fundamental, pois requerem alinhamento submicrométrico. Os métodos atuais de alinhamento de fibra podem não atender a esses requisitos de alinhamento ou não são adequados para produção em grande escala. Além disso, os métodos atuais costumam ser trabalhosos e demorados.

Matriz de fibra ótica

Em sua tese, Van Gastel descreve o desenvolvimento de uma nova matriz de fibra óptica para acoplamento eficiente de fibras múltiplas a chips fotônicos com precisão em uma escala submicrométrica.

A primeira parte da tese enfoca o desenvolvimento da nova matriz de fibra óptica. Nesta matriz, várias fibras ópticas são posicionadas lado a lado e fixadas a uma placa de vidro com cola. Os arranjos de fibra atuais lutam para alcançar o alinhamento preciso submicrométrico para chips fotônicos, uma vez que são incapazes de compensar a variação na qualidade de produção (as chamadas tolerâncias de produção) das fibras ópticas. Na nova matriz de fibra, a posição da fibra é medida usando um sistema de câmera para compensar essas tolerâncias de produção.

A cola pode então ser curada para fixar a fibra na placa de vidro. A cola tem tendência a encolher, o que pode perturbar o alinhamento da fibra. Também tende a mudar lentamente de forma ao longo dos anos, o que pode atrapalhar o alinhamento da fibra. O pesquisador realizou simulações e experimentos para investigar a adequação do processo de fixação da cola para o alinhamento das fibras. Os resultados mostraram um comportamento bastante previsível do processo de colagem, tornando-o adequado para o alinhamento da fibra óptica.

Projetando a máquina de montagem de matriz de fibra

A segunda parte da tese enfocou o projeto de uma máquina de montagem para a nova matriz de fibra óptica desenvolvida. Por esta, o pesquisador usou a automatização, garantindo assim um alinhamento de fibra de alta precisão ao mesmo tempo em que reduz custos e aumenta o rendimento.

O projeto da máquina consiste em três eixos de movimento translacional para alinhar as fibras no substrato nas direções de alinhamento mais críticas. Os eixos de movimento projetados de alta precisão são capazes de alinhar as fibras com precisão nanométrica. Devido ao seu design compacto e modular, a máquina de alinhamento pode ser facilmente expandida para linhas de produção maiores.

Do design à máquina

Durante este Ph.D. A pesquisa Van Gastel também construiu e testou uma realização de hardware do projeto da máquina. A máquina é capaz de montar uma matriz de 16 fibras em quatro minutos, significativamente mais rápido do que os métodos tradicionais de alinhamento de fibra, o que pode levar de dois minutos a uma hora por fibra individual.

Além disso, os arranjos montados mostraram erros de alinhamento aproximadamente 18 vezes menores quando comparados aos arranjos de fibra atualmente empregados.

Esta pesquisa pode, portanto, ser uma etapa importante para permitir a adaptação em grande escala de chips fotônicos, proporcionando uma processo de montagem de fibras ópticas mais preciso e com melhor custo-benefício.