Fasern und Arrays mit 6 Freiheitsgraden automatisch justieren:

Effiziente Fertigung in der Siliziumphotonik

Cascade Microtechs bahnbrechender Photonik-fähiger Wafer-Prober CM300  integriert PIs schnelle mehrkanalige Faserpositioniersysteme für hohen Durchsatz, Wafer-sichere, nanogenaue optische Untersuchung von Silizium-Photonik-Geräte auf Wafer Ebene. Bild: Cascade Microtech, eine Firma der Formfactor Inc. Gruppe

Die Siliziumphotonik sorgt für Tempo bei der Datenübertragung. Vergleichbar zu der Entwicklung in der Telekommunikation vor etwa zwei Jahrzehnten wandelt sich nun auch die Datenübertragung auf dem Chip. Optische Übertragungstechnik beschleunigt auch auf kurzen Wegen die Informationsübertragung deutlich und reduziert den Energiebedarf signifikant. Bei Fertigung und Test von Chips mit optischer Datenübertragung gilt es jedoch, etliche Herausforderungen zu meistern. Da die Produktionsmengen steigen, sind automatisierte Lösungen gefragt, die Fasern und Faser-Arrays an den winzigen, eng nebeneinander platzierten Kontaktflächen der Wafer und Chips präzise positionieren und dabei nicht nur mit der notwendigen Genauigkeit, sondern auch noch möglichst schnell arbeiten.

Cascade Microtechs bahnbrechender Photonik-fähiger Wafer-Prober CM300 integriert PIs schnelle mehrkanalige Faserpositioniersysteme für hohen Durchsatz, Wafer-sichere, nanogenaue optische Untersuchung von Silizium-Photonik-Geräte auf Wafer Ebene. Bild: Cascade Microtech, eine Firma der Formfactor Inc. Gruppe

Cascade Microtechs bahnbrechender Photonik-fähiger Wafer-Prober CM300 integriert PIs schnelle mehrkanalige Faserpositioniersysteme für hohen Durchsatz, Wafer-sichere, nanogenaue optische Untersuchung von Silizium-Photonik-Geräte auf Wafer Ebene.
Bild: Cascade Microtech, eine Firma der Formfactor Inc. Gruppe

Die Siliziumphotonik nutzt das Halbleitermaterial Silizium und integriert Sender und Empfänger optischer Informationen für Computer und elektronische Komponenten. Dazu werden neben den elektrischen auch optische Komponenten im Siliziumsubstrat integriert. Die so gefertigten Mikrochips können dann bei einer sehr geringen Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung Daten über optische Wellenleiter senden, mit Bandbreiten im Bereich von Tbit/s. Voraussetzung dafür ist allerdings eine präzise Ausrichtung der Lichtwellenleiter. Licht-Input und -Output müssen an jeder Ein- und Auskopplung getestet und aufeinander ausgerichtet werden, um eine optimale Anbindung der Faser an den Chip zu gewährleisteten. Dabei sind üblicherweise transversale Ausrichttoleranzen weit unter 50 nm gefragt. Kommen Mehrkanal-Eingänge zum Einsatz, erfordern diese zusätzlich eine präzise Ausrichtung um die Drehachse Theta-Z, um die Kopplung aller Ein- und Ausgänge eines Arrays zu optimieren. Sehr oft müssen zusätzlich auch noch Theta-X- und Theta-Y-Freiheitsgrade optimiert werden.

Anspruchsvolle Aufgabenstellung clever gelöst

Solche Positionieraufgaben mit mehreren Freiheitsgraden konfrontieren den Ingenieur jedoch mit geometrischen Wechselwirkungen. Bei einer Winkelverstellung ergeben sich beispielsweise auch ungewollte Verschiebungen in X- und Y-Richtung, wenn der Drehpunkt ungenau platziert ist. Zudem existieren Abhängigkeiten zwischen optischem Ein- und Ausgang, sodass eine Optimierung auf der Einkopplungsseite eine Änderung der Ausgangsseite zur Folge hat. Das heißt, die gesamtheitlich beste Ausrichtung verändert sich ständig und wird so zum „moving target“. In der Vergangenheit erforderte dies deshalb einen iterativen Ansatz. Immer wieder musste justiert, gemessen und wieder entsprechend nachgebessert werden, bis das Gesamtergebnis zufriedenstellend war. Ein solcher Prozess war deshalb zwangsläufig zeitaufwendig.

Physik Instrumente hat sich jetzt dieser Problematik angenommen und in seine Systeme zur automatischen Faser-Justage neuartige, firmware-basierte Algorithmen für die schnelle mehrkanalige Photonik-Justagesysteme integriert, die es ermöglichen, mehrere lineare und rotatorische Gradientensuch-Algorithmen gleichzeitig parallel durchzuführen. Dabei bietet jede Gradientensuche eine effiziente, wiederholbare Optimierung. Damit reduziert das schnelle mehrkanalige Photonik-Justagesystem (FMPA, Fast Multichannel Photonics Alignment System) die Gesamtoptimierung über alle Eingänge, Ausgänge und Freiheitsgrade eines Arrays auf einen einzigen Schritt. Der Durchsatz beim Ausrichten steigt im Vergleich zu früheren Lösungen um ein bis zwei Größenordnungen. Bei doppelseitigen Justagesystemen, die sowohl Eingangs-, als auch Ausgansseite optimieren, lässt sich das Maximum für die optimale Ankopplung beispielsweise bereits in weniger als einer Sekunde finden. Damit sind sowohl beim Wafertest als auch beim Packaging schnelle Durchsatzraten garantiert.

Passende Systeme für unterschiedliche Anwendungen

Dreiachsiges Justagesystem für Anwendungen im Bereich der Faserjustage, die keine Drehbewegungen erfordern. Bild: PI

Dreiachsiges Justagesystem für Anwendungen im Bereich der Faserjustage, die keine Drehbewegungen erfordern.
Bild: PI

Da die verschiedenen Anwendungen der Silziumphotonik unterschiedliche Anforderungen stellen, gibt es die schnellen Positioniersysteme, mit denen sich mehrere Fasern oder Faser-Arrays in Sekundenschnelle justieren lassen, in mehreren Varianten. Alle Systeme basieren auf einem sehr steifen Aufbau. Wenn keine Drehbewegungen gefordert sind, besteht dieser aus drei gestapelten Linearachsen (F-712.MA). Diese ermöglichen mit ihren motorischen Antrieben bei der Grobpositionierung längere Stellwege im Bereich von einigen Millimetern, gleichzeitig sorgt ein NanoCube®-Positionierer auf dem Stapel für schnelle Scanning-Bewegungen und einen dynamischen Ausgleich von Drifteffekten. Festkörperführungen und vollkeramisch isolierte Piezoaktoren garantieren eine lange Lebensdauer. Positionssensoren an allen Antrieben verhindern Kollisionen, z.B. mit einem teuren Silizium-Wafer.

System mit sechs Freiheitsgraden zur schnellen und präzisen Justage von Fasern, Faser-Arrays und optischen Bauelementen. Bild: PI

System mit sechs Freiheitsgraden zur schnellen und präzisen Justage von Fasern, Faser-Arrays und optischen Bauelementen.
Bild: PI

Wenn Drehbewegungen gefordert sind, z.B. bei der Ausrichtung von Faser-Arrays oder wenn bei Neuentwicklungen der optimale Ankopplungswinkel erst gefunden werden muss, bildet ein parallelkinematischer Hexapod (F-712.HA) die Basis, der in sechs Freiheitsgraden positionieren kann. Hinzu kommt der frei definierbare Dreh- oder Pivotpunkt, der sich mit einem einzigen Befehl programmieren lässt. Hier sorgt das parallelkinematische System mit Verfahrwegen im Bereich von einigen Millimetern für die Grobjustage. Für die Feinjustage ist auch bei diesem System der bereits erwähnte NanoCube®-Positionierer zuständig. Er ist auf der Plattform des Hexapoden montiert, auf die alle sechs „Beine“ der Parallelkinematik gleichzeitig wirken. Um beispielsweise ein Faser-Array auszurichten, führt der NanoCube® zunächst eine transversale Gradientensuche mit Tracking durch, um den ersten Kanal des Arrays in optimale Ausrichtung zu bringen und diese zu halten, während der Hexapod eine Gradientensuche für den n-ten Kanal des Arrays macht. Der frei definierbare Drehpunkt hat dabei bereits dafür gesorgt, dass die optische Achse des ersten Array-Elements nahe am Optimum platziert ist. Den verbleibenden transversalen Fehler kompensiert dann der NanoCube®. Der ganze Prozess dauert üblicherweise nur wenige Sekunden.

Für einseitige oder beidseitige Justage

Sowohl das parallelkinematische als auch das gestapelte System gibt es wahlweise für einseitige oder beidseitige Justageaufgaben. Zum Lieferumfang gehören immer ein leistungsfähiger Digital-Controller (E-712), die Firmware-Routinen mit den Algorithmen für die schnelle Positionierung sowie ein umfangreiches Softwarepaket, das alle Anwendungsaspekte abdeckt, angefangen bei der einfach durchführbaren Inbetriebnahme über die komfortable Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen bis zur schnellen und übersichtlichen Einbindung in externe Programme. Beim parallelkinematischen Aufbau wird auch der passende Hexapod-Controller (C-887) mitgeliefert. Für Anwendungen in Industrie und Entwicklung rund ums Wafer-Probing und Packaging in der Siliziumphotonik stehen damit praxisgerechte Justage-Systeme zur Verfügung, die neben Genauigkeit und Zuverlässigkeit auch hohe Durchsatzraten garantieren.

Über Physik Instrumente
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige und hochpräzise Antriebssysteme hat PI eine wichtige Voraussetzung geschaffen, maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Präzision und Dynamik bedienen zu können. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

Titelbild: Cascade Microtech, eine Firma der Formfactor Inc. Gruppe

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Antje Bogner

Produktmanagerin Kundenspezifische Hexapoden & Alignmentsysteme bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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