Automatisiertes Packaging in der Siliziumphotonik
Damit in der Siliziumphotonik Datenraten von Tbit/s erreicht werden, müssen die optischen Komponenten auf den Halbleitern äußerst präzise positioniert und justiert werden. Zu diesem Zweck wurde nun ein System entwickelt, das Nanopositionierung, Bildverarbeitung und Robotik kombiniert.
Bild 1. Automatisierte Lösung für die Siliziumphotonik-Chip-Herstellung und -Prüfung: Das System integriert mehrere Hardware-Komponenten und die Software für die Automatisierung von Montage und Ausrichtung
Schon vor einigen Jahren war die Photonik im Hinblick auf schnelle Telekommunikationslösungen ein wichtiges Thema – heute steht allerdings die Datenübertragung im Vordergrund. Wichtige Schlagworte in diesem Zusammenhang sind Cloud-Computing, schnelles Internet sowie viele andere computergestützte Dienste, die hohe Übertragungsgeschwindigkeiten voraussetzen. Hier ermöglicht die Siliziumphotonik Datenraten in der Größenordnung von Tbit/s. Allerdings ist es alles andere als einfach, die optischen Komponenten auf den Siliziumhalbleitern zu platzieren sowie die notwendigen optischen Verbindungen herzustellen, um Daten und Informationen in die Chips hinein- und wieder herauszubringen. Inzwischen lässt sich aber auch diese sehr komplexe Positionieraufgabe praxistauglich automatisieren, sodass der Weg zu einer kostenoptimierten Massenfertigung geebnet sein dürfte.
Die Siliziumphotonik nutzt Standard-Siliziumhalbleiter als Medium zum Senden und Empfangen optischer Informationen zwischen Computern und elektronischen Komponenten. Dazu werden neben den elektrischen auch optische Komponenten in das Siliziumsubstrat integriert. Die so gefertigten Mikrochips können bei minimaler Leistungsaufnahme und geringer Wärmeentwicklung Daten über optische Wellenleiter mit Terabit-pro-Sekunde-Geschwindigkeit senden. Viele verschiedene Bauelemente für die Herstellung solcher Halbleiterchips können bereits in kommerziellen Anlagen gefertigt werden. Die Produktion auf Wafer-Ebene ist inzwischen hochgradig automatisiert und relativ kostengünstig realisierbar. Verlässt man jedoch die Wafer-Ebene in Richtung einer Technologie mit gepackten Komplettsystemen, so schießen die Kosten in die Höhe.
Die Integration der Lichtquellen auf Wafer-Ebene und der Anschluss der optischen Ein- und Ausgänge gestalten sich schwierig. So haben die Lichtwellenleiter auf Silizium-Wafern typischerweise Kerndurchmesser von lediglich 150 bis 200 nm. Damit sind sie sehr viel filigraner als optische Einmoden-Glasfasern, deren Kerndurchmesser bei durchschnittlich 9 µm liegt, also etwa 50-mal dicker ist. Um eine solche Automatisierungsaufgabe bewältigen und damit Massenmärkte bedienen zu können, sind sowohl höchste Präzision bei der Handhabung, Positionierung und Justierung als auch eine möglichst hohe Produktionsgeschwindigkeit erforderlich...
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