SUCCESS STORY – Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn-- Steffen Arnold --Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn
Automatisiertes Packaging als Komplettlösung

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn-- Steffen Arnold --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 CloudComputing, schnelles Internet sowie viele andere
computergestützte
Dienste,diemöglichsthoheÜbertragungsgeschwindigkeiten verlangen.
Hier ermöglicht die Siliziumphotonik Datenraten in der
Größenordnung von Tbit/s. Es ist allerdings keineswegs weder
trivial,die
optischen
Komponenten
aufden
Siliziumhalbleiternzu
platzieren,noch
optischen
Verbindungen herzustellen, die notwendig sind, um Datenbzw. Informationen in die Chips hinein- und wieder
herauszubringen. Inzwischen lässt sich aber auch diese sehr
komplexe Positionieraufgabe praxisgerecht automatisieren,
sodass der Weg zu einer kostenoptimierten Massenfertigung
geebnet sein dürfte.

Abb. 1

Automatisierte Lösung für Silizium-Photonik-Chip Herstellung
und Prüfung: Das System integriert mehrere HardwareKomponenten und Software für die Automatisierung vonMontage und Ausrichtung, wie Pick-and-Place-Robotertechnik,
Bildverarbeitung
oderEinrichtungenfürdiePräzisionspositionierung (Bild: PI)

Die Produktion auf Wafer-Ebene ist inzwischen hochgradig
automatisiert und relativ kostengünstig realisierbar. Dochsobald man die Wafer-Ebene verlässt und in Richtung einer
Technologie mit gepackten Komplettsystemen geht, schnellen
die Kosten nach oben.
Die Integration der Lichtquellen auf Waferebene und derAnschluss der optischen Ein- und Ausgänge gestalten sichschwierig. So haben die Lichtwellenleiter auf Silizium-Wafern
typischerweise Kerndurchmesser von lediglich 150 bis 200nm, sind somit sehr viel filigraner als optische EinmodenGlasfasern, deren Kerndurchmesser durchschnittlich bei etwa
9 µm liegt, also etwa 50-mal dicker ist. Eine solche
Automatisierungsaufgabe zu bewältigen, ist damit einebeachtliche Herausforderung: So ist höchste Präzision bei derHandhabung, Positionierung und Justierung ebenso
erforderlichwieeinemöglichst
hohe
Produktionsgeschwindigkeit, um Massenmärkte bedienen zu
können.
Das Eschbacher Unternehmen PI miCos hat sich dieser
Aufgabenstellung angenommen und ein automatisches
Photonikmontage- und Justiersystem entwickelt, das sichinzwischen im Vorserieneinsatz bewährt hat. Die Spezialisten
für Mikro- und Nanopositionierung konnten dafür zahlreiche
unternehmensinterne Synergieeffekte nutzen. So entstandeine schlüsselfertige Automatisierungslösung, die sich gut anunterschiedliche Anwendungsanforderungen anpassen lässt(Abb. 1). Dabei werden die aus dem ganzen Wafer
herausgetrennten Silizium-Schaltkreise in einem Package
gebondet (Abb. 2), um die elektrischen und optischen
Verbindungen herzustellen. An dieses Bauteil werden dannweitere Elemente, wie beispielsweise ein Faser-Array mit
einer Genauigkeit im Sub-µm-Bereich angeschlossen.

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 Siliziumsubstrat integriert.
Die so gefertigten Mikrochips können bei einer sehr geringen
Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung Daten überoptischeWellenleiter
mit
Terabit-pro-SekundenGeschwindigkeit senden. Viele verschiedene Bauelemente fürdie Herstellung solcher Halbleiter-Chips können bereits inkommerziellen Anlagen gefertigt werden.

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Abb. 2Chip-Packaging: Silizium-Substrat (I), Faser-Anschluss (II), externe
Laserquelle (III) und Flip-Chip-Bonden (IV) (Bild: PI)

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SUCCESS STORY – Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn-- Steffen Arnold --Nanopositionierung,
Bildverarbeitung und Robotik

Abb. 3

Schematischer Aufbau: Positionierungssystem für dieFeinausrichtung (I), anwendungsspezifische Software undBenutzeroberfläche (II), industrielle Bildverarbeitung (III) undkonventionelle Robotik fürs Pick-and-Place der Komponenten(IV) (Bild: PI)

Für die technische Realisierung dieser komplexen
Automatisierungsaufgabe waren zunächst vier Bereicheabzudecken (Abb. 3): die Mikro- und Nanopositionierung,industrielle Bildverarbeitung, Robotertechnik für dasAufnehmen und Positionieren der Bauteile (Pick-and-Place)
sowie
eine
anwendungsspezifische
Softwareund
Benutzerschnittstelle (Abb. 5).
Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise des Systems sinddabei einfach zu verstehen: Der Roboter, der von
Bildverarbeitungssystemen geführt wird, nimmt die
Komponenten auf und legt sie auf Zwischenhaltern ab.
Anschließend werden die Photonikkomponenten ebenfalls
mit Hilfe eines industriellen Bildverarbeitungssystems (Abb. 4)
basierend auf Kameras im sichtbaren und im kurzwelligen
Infrarot-Bereich (SWIR) auf dem SI-Substrat hochpräzise
positioniert.

Abb. 5

Abb. 4Die integrierte Bildverarbeitung unterstützt die Ausrichtung desChips vor der Montage (Chip von STMicroelectronics) (Bild: PI)

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Feinausrichtung für die Faseranordnung. Der Lichtdurchsatz wird
gemessen und über Scanalgorithmen optimiert (Bild: PI)

Die Aufgabe übernimmt eine Kombination aus
Linearpositionierern und Mikrofabrikationsrobotern, die mit
sechs Freiheitsgraden arbeiten, die sogenannten SpaceFABsvon PI miCos (Abb. 6).

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SUCCESS STORY – Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn-- Steffen Arnold --Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei
parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf
die gleiche Plattform, es können sich also nicht wie bei„gestapelten“ Systemen Führungsfehler summieren, dadurch
ist die Genauigkeit deutlich höher. Es gibt jedoch nochweitere Vorteile: z. B. geringere bewegte Masse und damit
eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche Dynamik,keine mitgeschleppten Kabel die Reibungsverluste erzeugen,
und einen deutlich kompakteren Aufbau.

Abb. 6

Exakte Ausrichtung der optischen Fasern auf einem SiliziumPhotonik-Chip-Package
mit
Hilfezweier
SpaceFabPositioniersystemen (Bild: PI)

Das parallelkinematische Prinzip
Das parallelkinematische SpaceFAB-Prinzip basiert auf drei
Kreuztischen, die über drei Beine mit konstanter Länge undeine geeignete Gelenkkonfiguration gemeinsam eine
Plattform positionieren (Abb. 7). Auf diese Weise lassen sichschnelle und hochpräzise Verfahrwege realisieren.

Abb. 7

Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken bei
parallelkinematischen Systemen alle Aktoren unmittelbar auf die
gleiche Plattform, es können sich also nicht wie bei „gestapelten“Systemen Führungsfehler summieren, dadurch ist dieGenauigkeit deutlich höher (Bild: PI)

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Die Kreuztische, die speziell für Anwendungen in derLichtwellenleiterausrichtung entwickelt wurden, lassen sichim geschlossenen Regelkreis mit rotativen Encodern oderhochpräzisen Glasmessstäben ausrüsten. Für den Anwender
sehr einfach ist die Kommandierung des Hexapod-Systems.
Der Controller ermöglicht die Festlegung eines beliebigen
Punktes im Raum als Rotationszentrum. Dieser frei
definierbare Drehpunkt (Pivot-Punkt) bleibt unabhängig vonder Bewegung erhalten, eine Eigenschaft, die bei deroptischen Justage besonders zum Tragen kommt.
Die Photonikkomponenten lassen sich auf diese Weise sehrpräzise positionieren. Damit wird das sogenannte „First light“erreicht. Dieser Begriff besagt, dass die Durchgängigkeit desoptischen Signals gemessen und überwacht werden kann. Das
ist die Voraussetzung dafür, dass Maxima mit hoher
Genauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich gesucht und erkannt
werden können. An die erfolgreiche Feinjustierung schließt
dann ein automatischer Bonding-Zyklus an, wahlweise mit
Epoxidharz mit UV- oder thermischer Aushärtung. Durchdiese für die Siliziumphotonik maßgeschneiderte VorserienAutomatisierungslösung reduziert sich der gesamte
Fertigungsprozess auf wenige Minuten, was gegenüber den
normalerweise heute üblichen 40 Minuten oder mehr bei
manueller Fertigung sehr günstig ist.
Die Spezialisten für Nano- und Mikropositionierung haben mit
ihrem schlüsselfertigen Montage- und Justiersystem also
wesentlich dazu beigetragen, die Siliziumphotonik
voranzutreiben und die Datenübertragung schneller zu
machen. Wohin der weitere Weg führt, darauf darf mangespannt sein.

Seite 4 von 5SUCCESS STORY – Silizumphotonik sorgt für Tempo auf der Datenautobahn-- Steffen Arnold --Über PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus
dem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zu
erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Autoren

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ beiPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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