Die Photonikindustrie weist einen eindeutigen Trend hin zu rasant wachsendem Produktionsvolumen auf – ein Wachstum um bis zu drei Größenordnungen ist für die nahe Zukunft zu erwarten. Unabhängig davon, ob die Herausforderung eher in der wirtschaftlichen, skalierbaren Herstellung von Mehrkanal-Siliziumphotonikstrukturen liegt, in der Fertigung von immer anspruchsvolleren Minikameras oder in der Übertragung von Daten in Hochgeschwindigkeit und über tausende von Kilometern hinweg: die richtige Ausrichtungstechnik ist essenziell für Effizienz, Leistung und Praktikabilität. Da in der Photonik Endverbraucheranwendungen bzw. kundennahe Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewinnen, wird der Markt für Wearables weiter wachsen. LIDAR und ADAS Kameras sind unbestritten die wichtigsten Komponenten für fahrerlose Fahrzeuge. Und es zeichnen sich noch viele andere Anwendungsmöglichkeiten ab im Bereich Quantenoptik, optische Datenverarbeitung usw. Um den Bedarf an Photonikkomponenten für all diese Märkte zu decken, ist eine intelligente Automatisierung in der Aufbau- und Verbindungstechnik erforderlich. Der zeitaufwändigste Arbeitsschritt in der Produktion ist die Ausrichtung von Glasfasern, Faserarrays, Wellenleitern oder anderen Photonikkomponenten. Hier werden sich die neuen Automatisierungslösungen mit Blick auf Rendite, Markteinführungszeit, Kostensenkung und schnelle Skalierung der Produktionsvolumen am meisten bezahlt machen.
Der entscheidende Prozess der optischen Ausrichtung wird oft generischen Positionierern und rudimentären Automatisierungssystemen anvertraut, die teils noch aus frühen Entwicklungsstadien der Achtzigerjahre stammen und mangels produktiver Alternativen bis heute eingesetzt werden. Als Folge musste sich die Branche mit langwierigen, teuren, schlecht reproduzierbaren Kopplungen und anhaltend schlechter Rendite, Produktivität und Skalierung begnügen — bis vor kurzem. Moderne Systemlösungen, ausgestattet mit hochentwickelten Steuerungen und intelligenten, integrierten >> Algorithmen für eine automatisierte und simultane Optimierung über mehrere Kanäle und Freiheitsgrade, sind in der Lage, auch komplexe Ausrichtungsanforderungen schnell und sicher zu erfüllen. Aufgaben, die vorher unter Einsatz von veralteten Werkzeugen mehrere Minuten in Anspruch nahmen, können jetzt über einen einzigen Steuerungsbefehl, oft innerhalb von nur einer Sekunde, realisiert werden. Erfahren Sie mehr über die Evolution der Ausrichtungssysteme, von manuellen Prozessen zu den ausgereiften Techniken von heute.
So lief Ausrichtung früher: Vorgängersysteme und ihre Grenzen
Nicht weiter überraschend wurden die ersten automatisierten Ausrichtungswerkzeuge für die Produktion kurz nach der Einführung des PCs Ende der 1980er Jahre entwickelt. Diese Verfahren arbeiteten über Ausrichtungsfunktionen in der Software auf den PCs und wurden geduldig Schritt für Schritt, nach einer Punkt-für-Punkt-Methode, ausgeführt. Immer wieder kam es hier zu Engpässen, bedingt durch den damaligen Stand der Technik von Rechenleistungen und Kommunikationsbussen, den schwerfälligen Motion Controllern und Positionierern sowie den simplen Algorithmen. Dennoch stellten sie eine enorme produktionswirtschaftliche Verbesserung dar im Vergleich zu manuellen Verfahren, selbst angesichts der sich damals bereits abzeichnenden Anfänge der Low-Cost-Produktion in Asien. Diese Systeme sind auch heute noch weit verbreitet im Einsatz, sie profitieren von der Akzeptanz der Vergangenheit.
Die Technologie der Vergangenheit droht jedoch in naher Zukunft von der Lawine des Bedarfs ausgelöst von immer neuen SiPh-Anwendungen überrollt zu werden. Multicore-Prozessoren sind nicht mehr nur in Computern verbaut (selbst das aktuelle Raspberry Pi ist mit vier leistungsstarken 64-Bit-Cores ausgestattet) und PCs sind nicht länger auf einen Arbeitsspeicher von 640 KB und einige wenige Megabyte an Festspeicher begrenzt. Damit ist der Weg bereitet für deutlich ausgereiftere Algorithmen, die in manchen Fällen auch Funktionalitäten für maschinelles Lernen enthalten.
Das Ergebnis ist eine Suite an Funktionalitäten, implementiert als integrierte autonome Algorithmen, die mit beispielloser Geschwindigkeit auf Submikron-Niveau arbeitet und so den Herausforderungen der SiPh-Industrie, z. B. in der Aufbau- und Verbindungstechnik von photonischen Bauteilen, begegnen kann. Diese Herausforderungen betreffen:
- Berücksichtigung der Mehrkanal-Struktur von Siliziumphotonikbauteilen, die eine Optimierung über Freiheitsgrade (DOFs) erfordern, weit über die Anforderungen der einfachen Pigtail-Anwendungen aus den 1990ern hinaus
- Parallele Optimierung über mehrere Kanäle, Ein- und Ausgänge sowie Freiheitgrade für eine einheitliche Gesamtoptimierung in nur einem Schritt gegenüber der zeitaufwändigen seriellen Schrittfolge der Vorgängersysteme
- Hundertfache Verbesserung der Gesamtausrichtungszeit
- Breiter Anwendungsbereich in der Siliziumphotonik, Abbildungsoptik, Lasertechnik und anderen elektrooptischen Aufbau- und Verbindungstechniken
Da die Ausrichtung den Löwenanteil der Kosten in der Konfektionierung von SiPh-Komponenten oder optischen Bauteilen ausmacht, ist die Herausforderung in Bezug auf wirtschaftliche Produktion keine geringe.
Faserjustage
Für maximale Leistung in der Ausrichtung von Glasfasern oder photonischen Elementen sind die Anforderungen an Komponenten und Toleranzen sehr eng gefasst, manchmal im Bereich von einigen wenigen Nanometern. Präzision auf diesem Niveau erfordert Systeme mit Submikron- bis Nanometerauflösung. In einem typischen SiPh-Fertigungsprozess können solche Ausrichtungen bis zu zwei Dutzend Mal anfallen, vom Wafertest bis zu mehrfachen Aufbau- und Verbindungsarbeitsschritten.
Passiv vs. aktiv: Wie werden photonische Komponenten künftig ausgerichtet?
Passive Ausrichtung beruht auf vorgegebenen Funktionen, die mit besonderer Präzision während der Teilkomponentenfertigung implementiert werden und so einen Lego-Baustein-ähnlichen Aufbau sowie Verbindung der Teilkomponenten ermöglichen. Aktive Ausrichtung dagegen arbeitet mit hochpräzisen Bewegungen und Echtzeit-Feedback zur Optimierung praktisch jeder Kopplung. Die Wahl zwischen passiver und aktiver Ausrichtung hängt von Faktoren wie Präzisionsanforderungen, Fertigungskapazitäten, Systemkomplexität und Kostenerwägungen ab.
Was ist passives Ausrichten?
Passives Ausrichten bezieht sich auf den Prozess des Ausrichtens optischer Komponenten in einem System mit mechanischen Vorrichtungen oder vorgegebenen Ausrichtungsfunktionen. Der Prozess verlässt sich stark auf die inhärente mechanische Präzision der Ausrichtungsfunktionen für die Umsetzung einer genauen Ausrichtung. Passive Ausrichtung kann einfach und kostengünstig sein, sie kann gute Arbeit leisten in Fällen, in denen Toleranzen weniger kritisch sind als bei den aktuelleren siliziumphotonischen Komponenten. Aber im Allgemeinen verursachen sie in Anbetracht des geforderten Präzisionsniveaus bei den heutigen Hochleistungsbauteilen höhere Kosten, unzuverlässige Fertigungsprozesse und geringe Rendite.
Die Suche nach Lösungen für das passive Ausrichten läuft bereits seit über drei Jahrzehnten, bedingt durch die hohen Stückkosten aufgrund von manuellen und veralteten Verfahren für aktives Ausrichten. Leider hat der Bedarf für Fertigungsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit im Nanobereich die Praktikabilität von passiver Ausrichtung allgemein eingeschränkt. Zum Beispiel können Faser-V-Groove-Arrays theoretisch mit der notwendigen Präzision hergestellt werden. In der Praxis hat sich dies jedoch als mühsam erwiesen und die Umsetzung wird weiter erschwert durch Markttrends für Anzahl an Array-Kanäle, Format und Dichte. Clevere Lösungen zu speziellen Problemen wie der >> Photonic Plug von Teramount kamen auf und liefern hervorragende Antworten zu besonders schwierigen Anwendungsfälle. Allgemein betrachtet hat die neue Verfügbarkeit von flexiblen, skalierbaren, aktiven Ausrichtungssystemen, zugeschnitten auf die heutigen Strukturen, die Dringlichkeit für die Implementierung von passiven Ausrichtungsverfahren zurückgenommen. Eine wichtige Rolle spielt hier die Tatsache, dass aktive Ausrichtungssysteme nicht auf zusätzliche optische Elemente, Moduserweiterungen oder andere Werkzeuge angewiesen sind, wie sie für den passiven Ausrichtungswerkzeugkasten benötigt werden.
Selbst mit den neuesten passiven Ausrichtungstechniken stellen einige Produkttoleranzen, z. B. die Faserkernzentrierung, nach wie vor eine Herausforderung dar. Zudem fällt die Vorstellung schwer, wie sich passive Ausrichtung für Prüfprozesse einsetzen ließe, für die hochpräzise, aber temporäre Ausrichtung nötig ist — wie etwa bei der >> Waferprüfung und der Teilmontageprüfung. Aus genau diesen Gründen hält der Bedarf an aktiven Ausrichtungssystemen weiter an.
Präzisionsausrichtung von einzelnen Komponenten ist essenziell in fast allen industriellen Prüf- und Aufbauprozessen, um die richtige Funktionalität des Endprodukts sicherzustellen, um die Prozessausbeute zu steigern und um wettbewerbsfähige Qualifikationsmetriken zu erreichen — man denke hier nur an Elon Musks berühmte „10-Mikron“-Devise an Teslas Produktionsteam in Bezug auf Abweichung vom definierten Standard. Dies trifft besonders auf optische Module, Elemente und Bauteile zu, die sehr genau ausgerichtet werden müssen, um Nennleistung und Produktionsausbeute erzielen zu können.
Bei hochentwickelten Anwendungen, z. B. der Prüfung von Siliziumphotonikwafern, gibt es keine Alternative zur aktiven Ausrichtung. Mehrere Kanäle, mehrere Elemente, mehrere korrespondierende Ein- und Ausgänge müssen über mehrere Freiheitsgrade ausgerichtet und optimiert werden, und das mehrfach innerhalb des Produktionsprozesses. Schlussendlich macht erforderten die zu erwartende Skalierung auf ein Produktionsvolumen, das tausendmal höher ist als heute, und die Notwendigkeit, sich an immer kürzere Innovationszyklen anzupassen, die erfolgreiche Umsetzung der Präzisionsausrichtung mit hohem Durchsatz. Aktive Ausrichtung ist die Lösung für effiziente Automatisierung — mit erheblichen Kosteneinsparungen.
Was ist aktives Ausrichten?
Aktive Ausrichtung funktioniert über Ansteuerung (eine computergesteuerte Präzisionsstufe oder, in der einfachsten Form, die manuelle Betätigung von Knöpfen durch den Maschinenbediener) und Feedback von einem optischen Leistungsmesser, der genaue Daten zur optischen Leistung und damit zur Kopplungseffizienz liefert. Bei der automatisierten aktiven Ausrichtung werden die Hände und Augen des Bedieners durch einen Digitalcontroller und einen Ausrichtungsalgorithmus ersetzt, der die Positioniereinheit so lange bewegt, bis ein vorgegebener Schwellenwert oder maximaler optischer Leistungswert erreicht wird. Viele Lösungen implementieren Algorithmen immer noch in den PC, wie es 1987 gemacht wurde. Im Vergleich dazu ist die fortschrittlichste Implementierung der aktiven Ausrichtung vollständig in den Controller integriert, um maximale Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Automatisierte aktive Ausrichtung
Ein Aspekt, den photonische Anwendungen gemeinsam haben, ist das große Produktionsvolumen im Unterschied zu Telekommunikations- und Rechenzentrumanwendungen. Es wird angenommen, dass die Branche in wenigen Jahren um den Faktor 1.000 skalieren muss. Kein manueller Prozess lässt sich in dieser Größenordnung skalieren — Hochgeschwindigkeitsautomatisierung ist essenziell. Automatisierte Ausrichtung wird in bestimmter Form seit über dreißig Jahren eingesetzt. Da Bauteile immer kleiner und komplizierter wurden, stiegen Ausrichtungszeiten exponentiell an. Eine Multilinsen-Baugruppe auszurichten ist sehr viel anspruchsvoller als die Ausrichtung einer Baugruppe mit einem oder zwei Elementen. Es dauert deutlich länger, einen SiPh-Chip mit zweiunddreißig Kanälen zu verbinden als eine Laserdiode zu verdrillen, was 1997 die Hauptanwendung war. Idealerweise können mehrfache Ausrichtungen über mehrere Elemente und mehrere Freiheitsgrade simultan und in einem schnellen Schritt ausgeführt werden. Dieser einstufige Prozess ersetzt mehrere, längere, wiederholte Prozessschleifen, die bei Vorgängersystemen in dieser Form nötig waren, und reduziert dadurch Ausrichtungszeiten um bis zu zwei Größenordnungen.
Moderne automatisierte Ausrichtungssysteme erledigen den Job bedeutend schneller als jeder Bediener es manuell könnte und das zudem mit höherer Reproduzierbarkeit. Auch wenn diese Systeme eine höhere Erstinvestition erfordern, bieten sie Flexibilität, Geschwindigkeit und enorme Kosteneinsparungen für die Großserienfertigung. Das aktuellste System kann sogar die Kopplungsleistung optimieren, simultan und über mehrere Kanäle und Freiheitsgrade hinweg, was ein sehr wichtiger Faktor ist in SiPh-Anwendungen mit mehreren Schaltkreisen auf einem einzigen Chip. Dieser Ansatz beschleunigt den >> Prüfungs- und Aufbauprozess und beseitigt die Abhängigkeit von speziellen Fachkräften und Referenztoleranzen.
Siliziumphotonische Strukturen erfordern Ausrichtungsgenauigkeiten zwischen zwanzig und fünfzig Nanometern, um den üblichen Anforderungen von 0,02 dB Kopplungsreproduzierbarkeit zu entsprechen. Dazu werden neuartige Bewegungstechnologien mit noch höherer Auflösung benötigt. Durch die aktive Kontrolle über den Ausrichtungsprozess ersetzen diese Systeme Teilkomponenten, Werkzeuge und Positionstoleranzen und erreichen dadurch ein höheres Niveau an Präzision und Reproduzierbarkeit, sowohl im Vergleich zu passivem Ausrichten als auch zu älteren Methoden der aktiven Ausrichtung. Die automatische aktive Ausrichtung gewährleistet nicht nur eine optimale Leistung, sondern steigert auch den Durchsatz und reduziert die Kosten.
Moderne Techniken und Algorithmen für smarte Faserkopplung
Die allerersten Systeme für automatisiertes Ausrichten erforderten entweder Spezialvorrichtungen oder Stacks mit teuren Positionierern. Vor etwa einem Jahrzehnt erwiesen sich neue Lösungen basierend auf Kombinationen aus mehrachsigen Nanopositionier-Piezocontrollern und Hexapoden als adäquate Antwort auf die neuen und aufkommenden Anwendungen in >> SiPh-Aufbau- und Verbindungstechnik. Zuletzt eroberten kosteneffektive Stacks von industriellen Positionierern die Szene, unterstützt durch verbesserte Controller, und brachten hohen Durchsatz sowie mehrkanalige parallele Ausrichtung mit. Sie formten Architektur von nie dagewesener Flexibilität, die auch für große Träger wie Leiterplatten eingesetzt werden konnte. Kompakte Baugruppen mit Luftlagerachsen bringen ihre renommierte Reinheit mit ins Spiel und wirken damit einem wichtigen Punkt entgegen. Es ist bekannt, dass Backend-Prozesse wie Prüfung und Aufbau von SiPh-Bauteilen deutlich reiner erfolgen müssen im Vergleich zu herkömmlichen Mikroelektroniken, damit Zielausbeuten erreicht werden können. Die Erstlichterkennung verursacht z. B. einen wesentlichen Zeitaufwand bei allen industriellen Anwendungen der Photonikausrichtung, einschließlich Wafer Probing und Konfektionierung. Besonders hoch ist der Zeitaufwand jedoch bei photonischen Bauteilen mit Eingängen und Ausgängen, bei denen beide Seiten ausgerichtet werden müssen, damit auch nur eine geringe Kopplung erreicht wird. Zumindest bis jetzt:
