Wenn die Ausrichtung zum Problem wird

Bewegungssteuerung für Co-Packaged Optics (CPO)

Mit dem rasanten Ausbau von Rechenzentren weltweit steigt die Nachfrage nach Co-Packaged Optics (CPO) auf ein bislang unerreichtes Niveau. Dadurch rückt ein entscheidender Schritt im photonischen Packaging zunehmend in den Fokus: die aktive Ausrichtung. Der folgende Beitrag zeigt, warum die aktive Ausrichtung inzwischen zu einem entscheidenden Faktor für Ausbeute und Durchsatz geworden ist und wie eine speziell entwickelte, unternehmensübergreifende Architektur den steigenden Produktionsanforderungen von CPO gerecht wird.

Ein Fachinterview mit Justin Bressi, Business Development Manager, Aerotech Inc.

Was macht die aktive Ausrichtung in der Fertigung von Co-Packaged Optics so dringlich?

JB: Der Ausbau von Rechenzentren treibt die Nachfrage nach CPO-Technologien in beispiellosem Umfang voran; einigen Prognosen zufolge werden bis 2030 jährlich Millionen solcher Baugruppen benötigt. Diese hochintegrativen CPO-Einheiten erfordern Präzision im Mikrometer- und Nanometerbereich, wobei neben einer exakten linearen Positionierung auch eine exakte Winkelausrichtung erforderlich ist. Bereits Verschiebungen von nur wenigen Mikrometern oder Bruchteilen eines Grades können zu erheblicher Einfügedämpfung führen, wodurch die Signalqualität und die Ausbeute beeinträchtigt werden. Während der gesamten Fertigungs- und Validierungsprozesse kann jedes CPO-Modul mehr als 100 aktive Ausrichtungsvorgänge erfordern, weshalb sowohl Geschwindigkeit als auch Genauigkeit entscheidend sind, um die Geräte kosteneffizient herzustellen.
Bei herkömmlichen Methoden nimmt jede dieser Ausrichtungen viel Zeit in Anspruch. Multipliziert mit dem Produktionsvolumen wird dieser Zeitaufwand zu einem branchenweiten Bottleneck. Letztlich geht es um eine Herausforderung bei Ausbeute und Durchsatz, die durch die aktuelle Marktnachfrage zusätzlich verschärft wird. 

Warum lassen sich herkömmliche aktive Ausrichtungsverfahren nicht einfach an die höhere Kanalanzahl von CPOs anpassen – und was hält die Branche davon ab?

JB: Herkömmliche Ausrichtungsalgorithmen wurden für Module mit einem einzigen Kanal oder einer geringen Anzahl von Kanälen entwickelt und lassen sich bei steigender Kanalanzahl nur schwer skalieren. Das betrifft sowohl frühere Aerotech-Lösungen als auch vergleichbare Systeme anderer Anbieter. Moderne CPO-Geräte hingegen können 12 bis 16 oder mehr optische Engines mit jeweils 20 bis 42 oder mehr Kanälen aufnehmen.
Diese traditionellen aktiven Ausrichtungsmethoden sind in der Branche auch heute noch weit verbreitet, wurden jedoch nicht für die Durchsatzmengen oder die Präzision mit sechs Freiheitsgraden entwickelt, die Mehrkanalgeräte mittlerweile erfordern. Sie sind oft manuell und bedienerintensiv und benötigen in der Regel zwischen einigen zehn Sekunden und mehreren Minuten pro Ausrichtung. Dieser Zeitaufwand stellt einen strukturellen Engpass dar, sobald es um große Stückzahlen geht. Dass diese Methoden noch immer weit verbreitet sind, liegt vor allem an etablierten Strukturen und langjährigen Entwicklungsansätzen. Viele Algorithmen haben sich über Jahre hinweg fest etabliert – selbst dort, wo sie den heutigen Anforderungen nicht mehr optimal entsprechen. 

Inwieweit verbessert ein integrierter Systemansatz die Kopplungsgenauigkeit, die Zykluszeit und die Inbetriebnahme im Vergleich zur Montage von Komponenten verschiedener Hersteller?

JB: Eine integriertes Verfahren für die aktive Ausrichtung bietet Anwendern in der Produktion zahlreiche Vorteile. Aus diesem Grund hat Aerotech PICAlign™ entwickelt, eine Lösung zur aktiven Ausrichtung, die gemeinsam mit SENKO und Santec erarbeitet wurde. PICAlign ist ein integriertes aktives Ausrichtungssystem für mehrkanalige photonische Komponenten, das die Bewegungssteuerung von Aerotech mit den optischen Messgeräten von Santec auf einer einzigen Plattform vereint. Es wurde entwickelt, um diese Bauelemente innerhalb weniger Sekunden auszurichten – anstatt zehn Sekunden bis mehrere Minuten, die herkömmliche Methoden typischerweise dafür benötigen – und erreicht eine Ausrichtung innerhalb von weniger als zwei Sekunden mit einer Abweichung von etwa 0,2 dB vom globalen Optimum. Eine schnellere Ausrichtung führt direkt zu einem höheren Durchsatz, während eine bessere Genauigkeit und Wiederholbarkeit eine höhere Ausbeute und weniger Ausschuss bedeuten. Das System ist auf eine Zuverlässigkeit von über 30.000 Stunden MTBF (mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) im Dauerbetrieb ausgelegt.

BU: PICAlign richtet photonische Bauelemente gleichzeitig in sechs Freiheitsgraden aus (6DOF) und überwacht dabei sämtliche Kanäle parallel. (Bild: Aerotech, Santec, SENKO)
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Der Unterschied bei der Inbetriebnahme ist ebenso erheblich. Bei einer Lösung mit Komponenten verschiedener Hersteller müssen Bewegungssteuerung, Lichtquellen und Leistungsmesser separat beschafft und integriert werden – jeweils von einem anderen Lieferanten, wobei jedes Gerät eine eigene Validierung erfordert. PICAlign wird vorintegriert ausgeliefert und bei Aerotech gemeinsam getestet, bevor es den Kunden erreicht. Dies verkürzt die Inbetriebnahmezeit und beseitigt einen Großteil der Unsicherheiten bei der Inbetriebnahme, die mit dem Zusammenbau eines Systems aus Einzelkomponenten einhergehen. Es wird als vollständige aktive Ausrichtungslösung angeboten, einschließlich der Hardware von Santec, wodurch dem Kunden die Koordination mehrerer Anbieter vollständig abgenommen wird.

BU: Vorintegriertes PICAlign-System: Bewegungssteuerung, Lichtquellen und Leistungsmesser sind werkseitig getestet in einer Plattform zusammengeführt. (Bild: Aerotech)
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Können Sie uns erklären, was genau passiert, wenn PICAlign eine Ausrichtung durchführt, und wie sich dies mit zunehmender Komplexität der Geräte skaliert?

JB: PICAlign bewegt die photonischen Bauelemente relativ zueinander und koordiniert dabei die Bewegungen in allen Freiheitsgraden gleichzeitig, anstatt sie nacheinander abzuarbeiten. Zugleich überwacht es die Signalstärke auf sämtlichen Kanälen gleichzeitig – nicht nur die äußeren Loopback-Kanäle, auf die sich herkömmliche Methoden typischerweise stützen, sondern den gesamten Kanalsatz des Bauteils. Auf dieser Basis entsteht in Echtzeit ein hochdimensionales Modell des Suchraums. Die gleichzeitige Messung der Leistungspegel auf allen Kanälen ermöglicht eine schnelle Mehrkanaloptimierung innerhalb dieses mehrdimensionalen Raums anstelle einer Reihe isolierter Einzelkanalsuchen.
Das System unterstützt zudem benutzerdefinierte Zielfunktionen – vom Anwender festgelegte Ausrichtungsbedingungen und Leistungsschwellenwerte, mit denen Ingenieure die Kanäle priorisieren können, die für eine bestimmte Anwendung am wichtigsten sind, beispielsweise bei polarisationserhaltenden Fasern. Der Ausrichtungsvorgang wird beendet und kehrt zum ermittelten Optimum zurück, sobald ein Zeitlimit erreicht ist oder die Schwellenkriterien erfüllt sind.
Die Skalierung folgt nicht der einfachen Regel „mehr Kanäle bedeuten automatisch mehr Zeitaufwand". Strengere Genauigkeitsvorgaben verlängern naturgemäß die Konvergenzzeit, doch zusätzliche Kanäle verlangsamen den Prozess nicht zwangsläufig. Zusätzliche Kanäle liefern mehr Daten für die Suche, was die Konvergenz sogar beschleunigen kann, anstatt sie zu behindern. Der eigentliche Zeitaufwand entsteht durch die nacheinander erfolgende Ausrichtung mehrerer separater Module – es ist der sequenzielle Charakter der Produktion, nicht der Algorithmus selbst, der den Zeitaufwand verursacht.

Warum stellt die Mehrkanalausrichtung bei abnehmbaren Expanded-Beam-Steckverbindern einen besonders schwierigen Fall dar – und wie löst PICAlign dieses Problem?

JB: Abnehmbare Expanded-Beam-Steckverbinder waren tatsächlich der Ausgangspunkt für die Entwicklung von PICAlign. Durch ihre kollimierten Strahlen reagieren diese Geräte äußerst empfindlich sowohl auf Winkel- als auch auf X/Y/Z-Fehlausrichtungen: Expanded-Beam-Optiken lockern zwar die Toleranzen bei der linearen Ausrichtung, erfordern im Gegenzug jedoch in der Regel eine strengere Winkelausrichtung. Dadurch handelt es sich um ein echtes Problem mit sechs Freiheitsgraden, bei dem jede Achse von Bedeutung ist und keine als zweitrangig betrachtet werden kann.
Der simultane Ansatz von PICAlign, der alle Freiheitsgrade berücksichtigt, wurde genau für diesen Fall entwickelt und lässt sich sogar noch weiter skalieren – bis zu 12 Freiheitsgrade für komplexe Ausrichtungsaufgaben, wie beispielsweise Konfigurationen mit drei Moduleinheiten, von denen sich zwei gleichzeitig bewegen. Aerotech, Santec und SENKO haben PICAlign bewusst so konzipiert, dass es breit gefächert für diese Problemklasse einsetzbar ist und nicht nur für einen engen Anwendungsfall. Die Partner verfolgen dabei das gemeinsame Ziel, Ausrichtungsaufgaben branchenweit effizienter und skalierbarer zu gestalten.

Inwiefern entlastet PICAlign einen Maschinenbauer bei der Anlagenentwicklung?

JB: Mit PICAlign muss die aktive Ausrichtung nicht mehr für jede Anlage neu entwickelt werden. Dadurch können Entwicklungsressourcen gezielter für die eigentlichen Kernkompetenzen eingesetzt werden – das Dosieren und Aushärten von Epoxidharz, optische Prüfungen und die anderen Prozesse, die seine Anlagen auszeichnen. Im Ergebnis müssen während der Entwicklung weniger Variablen berücksichtigt werden, und die Iteration an den Maschinenteilen, deren Konstruktion tatsächlich in der Verantwortung des Maschinenbauers liegt, verläuft schneller.

Ist der asiatisch-pazifische Raum bei diesem Wandel bereits weiter fortgeschritten oder steht er erst noch bevor – und wohin wird sich die aktive Ausrichtung Ihrer Meinung nach als Nächstes entwickeln?

JB: Im asiatisch-pazifischen Raum treffen derzeit zwei eng miteinander verbundene Ökosysteme aufeinander: eine ausgereifte, gut etablierte Halbleiterfertigungsbasis und ein jüngeres CPO- und Photonik-Ökosystem, dessen Lieferkette sich noch in der Standardisierungsphase befindet. Insbesondere Taiwan ist ein Hotspot, an dem sich Maschinenbauer in der Nähe der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) und von Outsourced Semiconductor Assembly and Test-Unternehmen (OSATs) wie ASE Holdings (ASE) ansiedeln. Aerotech ist seit langem in der gesamten Region präsent und verfügt zudem über einen etablierten Support in den USA und Europa. Die Anforderungen, die sich derzeit im CPO-Markt abzeichnen, spiegeln das wider, was aus der Halbleiterfertigung bereits bekannt ist – Anforderungen an Preis, Lieferung und Durchsatz, alles auf einmal.

Wohin geht die Entwicklung der aktiven Ausrichtung als Nächstes?

JB: Kurzfristig arbeitet die Branche daran, die Ausrichtungszeiten auf unter eine Sekunde zu reduzieren, damit die aktive Ausrichtung keinen Produktionsengpass mehr darstellt und zu einem vollständig gelösten Schritt im Prozess wird. Die aktuelle Leistung von PICAlign – das bereits in weniger als zwei Sekunden etwa 0,2 dB des globalen Optimums erreicht – bringt dieses Ziel bereits in erreichbare Nähe. Die passive Ausrichtung wird weiterhin erforscht und kann für bestimmte Anwendungen geeignet sein, doch es wird erwartet, dass die aktive Ausrichtung ihre Rolle im Test- und Montagebereich des gesamten CPO-Ökosystems behalten wird – insbesondere da die Kanalanzahl weiter steigt und die in diesem Beitrag beschriebenen Präzisionsanforderungen eher zur Branchennorm als zur Ausnahme werden.

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Video: PICAlign in der Praxis
Auf der Fachmesse OFC 2026 haben Vertreter von Aerotech, Santec und SENKO die gemeinsam entwickelte Mehrkanal-Ausrichtungslösung PICAlign vorgestellt und erläutert, wie das System Ausrichtungsprozesse in sechs Freiheitsgraden beschleunigt – vom Wafertest bis zum fertigen Bauteil.
Video: PICAlign™: Revolutionizing Active Alignment for Co-Packaged Optics (YouTube, Aerotech)

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Zum Interviewpartner
Justin Bressi ist Business Development Manager bei Aerotech für die Marktsegmente Halbleiter und Photonik. Er verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung im Bereich Präzisionsbewegungssysteme und Robotik und war bereits in den Bereichen Anwendungsentwicklung, Außendienst und Geschäftsentwicklung tätig. Justin erwarb seinen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau und seinen Master-Abschluss in Betriebswirtschaftslehre an der University of Pittsburgh.
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Über Aerotech
Die Aerotech Inc. mit Firmenstammsitz in Pittsburgh, USA, ist ein mittelständisches Unternehmen mit Mitarbeiterbeteiligung. 1970 von Stephen J. Botos gegründet, entwickelt und fertigt Aerotech die weltweit leistungsstärksten Motion-Control- und Positioniersysteme für Kunden in Industrie, Wissenschaft und Forschung. Nach wie vor legen die Inhaber ganz im Sinne eines Familienbetriebs äußersten Wert auf einen offenen und vertrauensvollen Umgang mit Kunden, Geschäftspartnern wie auch den Beschäftigten. In Deutschland ist das mittelständische Unternehmen durch eine eigene Tochtergesellschaft, die Aerotech GmbH mit Sitz im fränkischen Fürth, vertreten. Neben Vertriebs- und Service-Aktivitäten erfolgt in Fürth die kundenindividuelle Konfektionierung der Positioniersysteme für den europäischen Markt. Die innovativen und hochpräzisen Bewegungslösungen erfüllen dabei sämtliche kritischen Anforderungen, die für die anspruchsvollen Anwendungsbereiche von heute erforderlich sind. Sie werden überall dort eingesetzt, wo ein hoher Durchsatz gefordert wird – u.a. in der Medizintechnik und Life Science-Anwendungen, bei der Halbleiter- und Flachbildschirmproduktion, in den Bereichen Photonik, Automotive, Datenspeicherung, Laserbearbeitung, Luft- und Raumfahrt, Elektronikherstellung, sowie beim Prüfen und Testen bis hin zur Montage.
Dank moderner Analyse- und Diagnosekapazitäten stellt Aerotech weltweit einen erstklassigen technischen Support und Service bereit. Falls ein Standardprodukt nicht für einen individuellen Anwendungsbereich geeignet ist, vermag der Hersteller auf Grundlage seiner jahrelangen Kompetenz und Erfahrung Spezialbewegungskomponenten und -systeme zu liefern. Die Fertigungskapazität für kundenspezifische Anwendungen wird zusätzlich durch Erfahrungen bei der Lieferung von Systemen für den Vakuum- und Reinraumbetrieb ergänzt.
Zu Aerotech gehören Full-Service Niederlassungen in Deutschland (Fürth), im Vereinigten Königreich (Ramsdell), China (Shanghai City) und Taiwan (Taipei City). Weltweit beschäftigt Aerotech aktuell ca.  550 Mitarbeiter. https://de.aerotech.com 

Ansprechpartner:

Uwe Fischer
Aerotech GmbH
Gustav-Weißkopf-Str. 18
90768 Fürth
T: +49 911 967937-18
E: ufischer@aerotech.com                                

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