Aktives Ausrichten - die Antwort auf ständig steigende Anforderungen beim Aufbau komplexer, optischer Systeme

Schnell, schnell, schnell

Konventionelle Techniken zur Automatisierung von Montageaufgaben können die heute benötigte kontinuierliche Verbesserung bei Kosten und Gutausbeute nicht bieten. Die bahnbrechende parallele Gradientensuche von PI ermöglicht die gleichzeitige Optimierung von mehreren Freiheitsgraden, Elementen und Kanälen. Aktuell müssen diese Ausrichtungen seriell, in zeitaufwändigen Schleifen durchgeführt werden, da Abhängigkeiten zwischen den Elementen, die ausgerichtet werden müssen, und den Freiheitsgraden unumgänglich sind. Zum Beispiel muss die Ausrichtung eines Elements in Theta-X / Theta-Y normalerweise unterbrochen werden um die geometrischen Fehler in X und Y zu korrigieren, danach muss der Prozess wiederholt werden. Mit PIs paralleler Technologie kann dies üblicherweise in einem Schritt gemacht werden. Damit wird der Zeitaufwand um 99 % oder mehr reduziert, während die Gutausbeute steigt. Gleichermaßen erforderten Abhängigkeiten zwischen den Elementen früher graduelle, sequenzielle Ausrichtungen jedes einzelnen Elements in einer Schleife, um letztendlich eine übereinstimmende Ausrichtung zu erreichen. Die parallele Optimierung macht es möglich, dies in nur einem Schritt durchzuführen.

Dies ist alles was man für das aktive Ausrichten benötigt

Das Herzstück von PIs aktivem Ausrichtungssystem ist das schnelle Faserpositioniersystem >> F-712.HU1, das den digitalen Piezocontroller E-712 beinhaltet. Der Algorithmus der Gradientensuche ist in die Firmware des Controllers eingebaut. Der optische Leistungsmesser >> F-712.PM1 ist nützlich, wenn es bei der zu optimierenden Größe um die optische Leistung geht. Andere Gütezahlen, wie z.B. MTF, Extinktionsrate, modale Qualität und andere Metriken sind im Allgemeinen unkompliziert in der Handhabung.

PIs einzigartige Technologie: simultane Gradientensuche

Basierend auf kleinsten Bewegungen des Ausrichtungssystems im Mikro- oder auch Nanometerbereich, misst der Algorithmus den lokalen Gradienten einer Gütezahl, wie zum Beispiel die Bildqualität eines Kameraobjektivs oder die Ausgangsleitung eines Lasers. Dieser Gradient wird dann automatisch verfolgt bis die gewünschte Position und Orientierung der Elemente erreicht wird. Mit dieser Routine kann die Position auch hervorragend nachverfolgt und somit jeglicher Drift-Effekt kompensiert werden. PIs einzigartiger Ansatz ermöglicht es, mehrere Gradientensuchen gleichzeitig durchzuführen und somit mehrere Elemente, Freiheitsgrade oder Kanäle gleichzeitig zu optimieren. Diese bahnbrechende Fähigkeit kann die Gesamtoptimierungszeit um zwei oder mehr Größenordnungen reduzieren.

Gleichzeitige Justage von mehreren Einzel-Elementen

Das außerordentliche Potenzial dieser neuen Methode zur Positionierung entfaltet sich jedoch erst wenn mehrere Einzel-Elemente zueinander ausgerichtet werden sollen. Anstatt der zeitaufwändigen Optimierung von einem Element nach dem anderen in immer wiederkehrenden Zyklen, verschachtelt mit der Messtechnik und anderen Prozessen, ermöglicht der Algorithmus der Gradientensuche das gleichzeitige oder parallele Ausrichten von mehreren Elementen auf einmal.

Die Durchlaufzeiten reduzieren sich dadurch drastisch: in den bereits vorhandenen Anwendungen wurden Durchlaufzeiten um 99 % und mehr reduziert.

PI – Automatisierte mehrkanalige Faser-Array Ausrichtung

Das Verbinden von optischen Fasern (single- oder multi-mode-Fasern) mit Silizium-Photonik Strukturen (SiP) ist immer noch eine der anspruchsvollsten und komplexesten Aufgaben im Test und der späteren Aufbau- und Verbindungstechnik.
Basierend auf dem selbstentwickelten, einzigartigen “Fast Multi-Channel Photonics Alignment” System, hat PI ein automatisiertes Subsystem für Waferprobing mit hohem Durchsatz erfolgreich entwickelt. Das Video zeigt nun Ansätze zur Automatisierung von Aufbau- und Verbindungstechnik auf Chip-Ebene.

Zahlreiche Anwendungen für das aktive Ausrichten

In mehr und mehr Photonik- und Optik-Systemen, spielt die exakte geometrische Positionierung von einzelnen Elementen eine entscheidende Rolle für die Gesamtfunktionalität der Systeme. Das aktive Ausrichten bietet hierfür einzigartige Optimierungsmöglichkeiten:

  • Bereits 2015/2016 wurden automatisierte SiP Waferprober mit den Active-Alignment-Systemen von PI ausgestattet. Deren Einsatz in der Qualitätssicherung von Silizium-Photonik hat sich seitdem etabliert und ist auch auf die Serienfertigung und Montage ausgedehnt worden. Für beides, Waferprobing und Chip-Testing, ist es wichtig, die Funktionalität von aktiven und passiven optischen Strukturen (z.B. Wellenleiter, Licht- und Photo-Dioden) auf dem Chip vor dem Verpacken zu überprüfen. Dafür müssen Glasfaser präzise zur entsprechenden Chip-Struktur positioniert werden, um eine Verbindung zu externen Messgeräten herzustellen.
  • Die Serienfertigung von hochbitratigen optischen Kabeln wie HDMI, USB und Thunderbolt können sehr von PIs paralleler Optimierungstechnologie profitieren. Mit dem Einsatz der parallelen Optimierung von PI, wird nicht nur die Ausrichtung von Kabelsteckern in mehreren Freiheitsgraden stark beschleunigt, sondern es können auch beide Seiten des Kabels gleichzeitig montiert werden.
  • Smartphone-Kameras werden jährlich milliardenfach hergestellt und verzeichnen ein rasantes Innovationstempo, mit immer besserer Qualität, der Einführung von optischen Zooms mit hohen Zoomfaktoren sowie Szenen- und Fokuserkennung. PIs parallele Optimierungstechnologie kann die Zeit für die Montage dieser komplexen Mechanismen, trotz immer engerer Toleranzen, deutlich verkürzen.
  • In der Serienfertigung von Lasern, sind komplexe Kavitäten mit mehreren refraktiven, reflektiven und diffraktiven Elementen ausgestattet, die alle gegenseitig optimiert werden müssen, um die optische Leistung und die Spezifikationen für die modale Qualität zu erfüllen. PIs parallele Ausrichtungstechnologie kann die Durchlaufzeit deutlich verkürzen und ermöglicht gleichzeitig eine Echtzeit-Kompensation der Drift während des Fertigungsprozesses.
  • Zahlreiche weitere Anwendungen in der technischen Optik (z.B. LIDAR Systeme), Life-Sciences, Quanten-Computing oder Datenspeicherung können von der aktiven Ausrichtungstechnologie profitieren.

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Broschüre

Overview: System Components for Automated, Fast Multi-DOF Alignment

Gain Reliability and Save Development and Process Time
Version / Datum
2019-08
Dokumentsprache Englisch
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Whitepaper

Enabling Large-Format Industrial Productivity

Award-Winning PI Fast Alignment Technology Comes to ACS Controls
Version / Datum
WP4023E 2019-06
Dokumentsprache Englisch
pdf - 757 KB