Kristinn Gylfason

– Motorn är standard, men gittret som vi gjort har jag aldrig sett tidigare, säger Kristinn Gylfason, lektor på KTH och projektansvarig.

Tillsammans med Carlos Errando-Herranz – postdoktor på KTH som drivit projektet – har Kristinn Gylfason, samt en samarbetspartner i belgiska Gent som hjälpt till med utvärderingen, nyligen publicerat en artikel om tekniken i Optics Letters.

En viktig pusselbit är att KTH-forskarna använder en klassisk mems-struktur för allt utom själva gitter.

– Vi jobbar med standardprocesser och standardmaterial. Grunden i konstruktionen bygger på välkänd teknik så förutsättningarna finns för att detta ska kunna bli en lyckad kommersiell produkt på sikt, menar Kristinn Gylfason.

Konstruktionen är mindre än diametern hos ett mänskligt hårstrå. Den är tillverkad i KTH:s två renrum: på Nanolabb i Albanova gjordes elektronstrålelitografi och i Electrumlabbet i Kista har strukturerna etsats.

De fritt hängande strukturerna skapas med SOI-skivor, med kisel i botten, ett oxidlager och ett kisellager överst. I det övre lagret fri-etsas de rörliga delarna, varmed oxiden tas bort. Det är ett vanligt sätt att tillverka mems på idag.

Carlos Errando-Herranz

– Vårt gitter består av en kiselstruktur med luft emellan, som en sorts mekanisk 2D-fjäder, förklarar Carlos Errando-Herranz.

Den viktigaste parametern hos gittret är perioden, eller frekvensen på mönstret. Den bestämmer vinkeln som ljuset strålar i när det når gittret, som är fäst i en integrerad optisk vågledaren. Genom att dra i gittret förändras perioden och därmed vinkeln.

Inom optik definieras vinkeln som noll grader då strålarna följer normalen, alltså skickas rakt ut från gittret i detta fall. I den aktuella konstruktionen går ljuset lite bakåt.

– Vi kan styra vinkeln 5,6 grader. Det är inte jättemycket. Vi hade hoppats på mer, men det som begränsade var att gittren kollapsade innan vi nådde en större vinkel.

Orsaken var att mekaniken böjde sig lite, blev osymmetrisk och började att kladda ihop när mönstret töjdes.

– Men vi har lyckats visa att principen fungerar och vi tror att det går att komma till större vinklar genom att ändra den mekaniska designen lite, säger Kristinn Gylfason.

Det mest intressanta godhetstalet för en konstruktion som denna är förhållandet mellan lobbredden – alltså hur parallella strålarna är – och hur mycket lobvinkeln kan ändras (dvs figure-of-merit). Önskvärt är en smal lob och stor vinkel.

Ju längre gitter är, desto mer fokuserade blir strålarna. Här har konstruktionen bara sex perioder, vilket ger ljuset en viss spridning.

Dessvärre går det inte att skapa en mer parallell strålgång enbart genom att öka antal perioder.

Gittret är det slingrande mönstret mitt i bilden. Det är kopplat direkt till en vågledare och töjs med hjälp av en så kallad kammotor (comb-drive), som är den vanligaste motorn för mekanik i denna skala. Kammen – de små tänderna mitt i bilden – fungerar som en kondensator. Hela ytan på tänderna är plattorna i kondensatorn. I bilden har motorn ingen pålagd spänning, varmed kondensatorns gap är stort. Lägger man istället en spänningsskillnad mellan punkt A och B blir det attraktion, kammen dras ihop och gittret töjs.

Orsaken är den väldigt stora kontrasten i brytningsindex mellan kisel och luft, vilket ger ett brutalt gitter. Ljuset sprider sig extremt snabbt, och efter ett fåtal perioder finns inget ljus kvar. Det kan jämföras med ett fibergitter i glas som tack vara mycket små ändringar i brytningsindex kan göras långa.

– Vi skulle behöva göra gittret svagare. En lösning kan exempelvis vara att ha det i olja istället för luft. Då skulle det kunna göras längre.

Spontant låter det dyrt, men Kristinn Gylfason menar att det inte är ovanligt att kapsla in optiska strukturer i olja.

– Det finns speciella optiska oljor som används för att undvika luftgap mellan exempelvis fiber. Det är väldigt vanligt. Likaså jobbar man med vätska i LCD-displayer, påpekar han.

En stor fördel med konstruktionen är annars att den absorberar nästan inget ljus. Det går att köra på väldigt mycket ljus utan att den värms upp. Och gittret uppför sig exakt likadant oavsett hur mycket ljus man trycker in.

Ytterligare en positiv detalj är att vinkeln kan svepas relativt snabbt. Snabbheten begränsas av massan som ska flyttas runt och styvheten i fjädrarna.

– Vår design skulle gå i resonans vid några hundratals kilohertz. Det är mycket snabbare än vad makroskopisk mekanik klarar och fullt tillräckligt i exempelvis en lidartillämpning.

Just lidar för drönare är ett spår som forskarna fastnat för då konstruktionen har potential att bli väldigt strömsnål, kompakt och billig.

– Vill man göra billiga drönare måste lidarn matcha drönarpriset. Idag tror jag inte att det finns lidarkonstruktioner som är tillräcklig billiga för ett stort antal nya tillämpningar.

Som exempel tar de konstruktioner som bygger på elektrisk fasförskjutning. De använder en matris med antenner som var för sig strålar väldigt homogent. När strålningen från alla antennelement kombineras fås ett interferensmönster som kan ge en väldigt smal stråle.

Nackdelen är att designen kräver mycket elektronik och varje element en egen fasskiftare. Den blir dyr och drar förhållandevis mycket ström.

– Men det är en väldigt snygg lösning, som helt bygger på optoelektronik med allt integrerat på ett chip, poängterar Kristinn Gylfason.

Att allt är byggt i samma kiselbit är betydelsefullt eftersom det då inte krävs någon linjärisering i systemet. Där har även KTH-designen – med vågledare och gitter i samma kisel – en stor fördel jämfört med en lösning som bygger på optik med fri strålgång, såsom mems-speglar.

– Vi har en väldigt robust lösning som är okänsligt för skakningar, vilket jag tror är viktigt i exempelvis lidarsystem.

En vital del som saknas i KTH-designen är ljuskällan.

En tanke är att använda halvledarlasrar flipchipade direkt på chipet. Det är en process som börjat bli standard.

På frågan vilken räckvidd en framtida lösning kan komma att få vill Kristinn Gylfason egentligen inte svara.

– Jag måste anta för många detaljer för att kunna ange en räckvidd, som effekten i laserkällan, detektorns känslighet och lobbredd, men det handlar om minst några tiotals meter.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektronik­tidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronik­branschen är Elektronik­tidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden. Här tecknar du prenumeration (länk).

Medicinska diagnostik är ytterligare ett område som den lilla mems-kretsen skulle kunna passa för.

Den är så liten, bara 50 µm, att den lätt ryms i en kateter för titthålsoperationer. Det gör att den exempelvis skulle kunna användas för att avbilda inuti kroppen.

– I en sådan lösning går det att med SiGe-processer bygga in fotodioder direkt i kislet. Då får man en detektor på chipet som fångar in den reflekterande signalen. Det upplever jag är en ganska lätt del att integrera.

För att ta utvecklingen till ett nästa steg behöver forskarteamet samarbeta med någon som har en tillämpning.

– Hittills har det varit ett rent akademiskt projekt, men för att det ska vara meningsfullt att gå vidare måste vi jobba med någon som har ett riktigt problem, säger Kristinn Gylfason.