Optiek op een snipper

Wetenschappers uit Californië hebben de leeskop voor CD-spelers uitgevonden. Een CD-ROM zou daarmee bijna net zo snel zijn informatie kunnen prijsgeven als een harde schijf.

Micro-optische tafels, zo noemt Ming Wu het geminiaturiseerde instrumentarium waaraan hij samen met andere onderzoekers van de Universiteit van Californië in Los Angeles werkt. Het micro-gereedschap dat ze op UCLA ontwikkelen functioneert op dezelfde manier als de omvangrijke optische tafels waarop laser-deskundigen hun lasers, lenzen en spiegels bevestigen, maar doet dat op een veel kleinere schaal. Wu en zijn collega's zijn in staat om het principe van het kamervullende, duizenden kilo's zware optische werkblad in één klap een miljard maal lichter uit te voeren. Lenzen, straal-opsplitsers en spiegeltjes krijgen daarbij het formaat van zoutkorrels. De hele micro-optiek weegt slechts enkele milligrammen. Alles past op een oppervlak dat gelijk is aan deze hoofdletter O.

“Ons researchwerk richt zich onder meer op het construeren van een lichte leeskop voor optische data-opslag zoals in CD-ROM spelers”, zegt Wu. De laboratorium-versie van de optische kop weegt slechts 4 milligram, terwijl alleen al de lens van de huidige CD-spelers een halve gram weegt.

Een lichtgewicht optisch leesmechanisme heeft als voordeel dat een CD-speler sneller informatie kan opzoeken. Minder massa maakt lichtvoetig. Net zoals een fiets door een handmatig duwtje rapper vaart maakt dan een auto, zo is een lichtere leeskop ook eerder op de plaats van bestemming. Voor toepassingen als een CD-ROM encyclopedie zou dat niet gek zijn. Gebruikers kunnen sneller van onderwerp naar onderwerp bladeren als de leeskop vlotter over het CD-ROM schijfje kan springen. Voor audio is sneller reageren niet nodig, maar als CD-ROM spelers betere toegangstijden zouden krijgen, kunnen ze bovendien beter concurreren met harde schijven. Zeker als CD-schijfjes de komende jaren herschrijfbaar worden.

Voorlopig zitten computergebruikers echter opgescheept met traag reagerende CD-ROM spelers. Dat komt voor een deel door het trage loopwerk dat zijn wortels heeft in de CD-muziekspelers. CD-ROM spelers hebben twee- tot drietiende seconde nodig om op de juiste plaats op een CD aan te landen. Hele snelle magneto-optische systemen voor computers halen 30 tot 40 milliseconde, maar harde schijven hebben de gezochte informatie altijd nog in minder dan 10 milliseconde paraat. Wu: “Een twee maal lichtere kop zou al een vier maal sneller leesmechanisme geven. Mij lijkt een tien maal snellere toegangstijd wel haalbaar.”

Wu aarzelt even als hij die voorspelling doet. Alles, zo maakt hij duidelijk, zal immers afhangen van de omhulling die de fragiele onderdeeltjes moet beschermen. Teveel extra ballast maakt de leeskop weer traag. In het algemeen is verpakken vaak het moeilijkste stadium in het toepasbaar maken van microtechnologie.

Toch maakt de micro-optische kop een kans, denkt Wu. Alle onderdelen zitten op enkele vierkante millimeters silicium. Het flintertje moet alleen nog op een soort pick-up arm worden gezet en het systeem is compleet. De samenstelling lijkt eenvoudig vergeleken met die van de traditionele leessystemen voor CD. Miniatuurlaser, straalopsplitsers, lens en lichtgevoelige diode moeten in dit geval allemaal apart worden geassembleerd.Ook qua prijs zal de micro-optische kop uiteindelijk kunnen concurreren met de bestaande optische leessystemen, hoewel deze razend goedkoop zijn. Lens, minilaser- en detectie-eenheid kosten bij elkaar slechts 5 gulden.

Wu: “Onze optische leeskoppen zijn geheel met produktietechnieken uit de chip-industrie te fabriceren. Daardoor zijn ze in potentie goedkoop te maken.” Ze passen met duizenden tegelijk op een schijf silicium zo groot als een handpalm. Alleen de diode-laser moet men apart op het optische tafeltje monteren. Dat komt omdat zulke miniatuurlasers niet uit silicium, maar uit een ander halfgeleidermateriaal worden gemaakt.

Magneet-gevoelige koppen voor harddiscs worden overigens ook massaal met chip-technieken op siliciumschijven gefabriceerd. Die zullen altijd wel een voorsprong blijven houden als het om opzoeksnelheid gaat, want ze hebben minder siliciumoppervlak nodig en zijn dus lichter uit te voeren.

De eerste onderdeeltjes voor micro-optische tafels maakte Kris Pister tijdens zijn studie aan de Universiteit van Californië in Berkeley. Pister is inmiddels verhuisd naar het UCLA-lab en maakt deel uit van Wu's team. Zijn aanpak lijkt op het maken van kartonnen dozen. Die worden ook eerst uit een vlakke plaat gesneden en daarna pas gevouwen.

Als werkblad gebruikt Pister silicium, de grondstof voor chips. Daar bovenop brengt hij twee lagen aan. Eerst een laagje kwarts en daarop een laagje silicium. Alle optische onderdelen die de hoogte in moeten, worden in de bovenste laag geconstrueerd. Later in het proces wordt het kwarts weggeëtst waardoor de siliciumstructuurtjes los komen te liggen. Op foto's is te zien dat de instrumenten vol zitten met gaatjes. Dat is om het etsen van het tussenliggende kwarts te vergemakkelijken.

Inademen

De micro-optiek zou je kunnen inademen als ze niet vast zat. Voor de verankering brengt men 'bruggetjes' aan die worden gemaakt door silicium en kwarts in een aantal stappen (plaatselijk) op een slimme manier weg te nemen of aan te brengen. Na de bewerkingen liggen alle onderdelen nog plat op de chip. Het hele spul moet nog worden rechtgezet en dat is geen sinecure. “We doen het nog met micro-probes, onder de microscoop”, zegt Wu. ”Eén plaatje oplichten kost nog enkele minuten.”

Al met al is het behoorlijk priegelwerk, want de instrumenten moeten - als kartonnen dozen - ook netjes in elkaar worden 'gevouwen'. Kleine steunbeertjes met scharniertjes en een maatvoering op de duizendste millimeter klemmen de optiek rotsvast. “In de nabije toekomst willen we een of andere automatische micro-assemblage maken. Dat kan met behulp van micromotoren of andere micro-actuators.”

De onderzoekers hebben al laten zien dat sturing en micro-manipulatie tot de mogelijkheden behoort. Ze bouwden een micro-motor onder een halfdoorlatende spiegel en onder een golflengte-filter. Daarmee waren deze optische instrumenten nauwkeurig uit te richten. Door de filter te draaien kon men de golflengte afstemmen in het gebied tussen de 1300 en 1241.5 nanometer. Infrarood licht van deze golflengte wordt vaak gebruikt voor optische communicatie door glasfibers.

Wu denkt dat op deze manier uiteindelijk ook optomechanische schakelaars zijn samen te stellen. Die zouden in communicatie-netwerken de lichtsignalen over glasvezels kunnen verdelen.

    • Rene Raaijmakers