Offrir une formation pratique en photonique dans tout le Massachusetts | Nouvelles du MIT
La photonique – la science du guidage et de la manipulation de la lumière – permet des applications allant des télécommunications, de l’intelligence artificielle et de l’informatique quantique à l’imagerie médicale, au lidar et aux écrans de réalité augmentée. Mais malgré l’importance de ce domaine en pleine croissance, le pays fait face à une pénurie de techniciens et d’ingénieurs en photonique et en électronique.
Le Lab for Education and Application Prototypes (LEAP), situé au cinquième étage du MIT.nano, est un laboratoire de recherche qui fonctionne également comme une salle de classe pratique pour apprendre à conditionner des puces électroniques et photoniques. Cette installation en libre accès a été la première de ce qui est maintenant un réseau de cinq laboratoires soutenant l’innovation dans la fabrication de pointe à travers le Massachusetts.
Le MIT LEAP est équipé d’outils pour l’emballage électronique-photonique, y compris une matrice de liaison, des dispositifs de liaison par fil, un système d’inspection par rayons X, un microscope à grande surface, une machine de traitement au plasma et un four de refusion pour les applications de soudage – mais ce n’est pas seulement sur les outils, explique Anu Agarwal, chercheur principal au Laboratoire de recherche sur les matériaux et responsable du LEAP au MIT.
« LEAP concerne ce que nous faisons avec les outils. Nous éduquons des étudiants de partout – MIT, d’autres institutions de quatre ans, des collèges communautaires et des employés de l’industrie – pour comprendre la technologie et développer des prototypes pour faire progresser la fabrication et renforcer la future main-d’œuvre en électronique et photonique », dit-elle.
L’histoire du LEAP du MIT
Le réseau LEAP a débuté en 2015 à la suite d’une initiative fédérale visant à revitaliser la fabrication aux États-Unis. L’institut national de fabrication AIM Photonics et la Massachusetts Manufacturing Innovation Initiative, un programme de subventions d’État géré par MassTech Collaborative, ont alloué 11,3 millions de dollars pour construire des laboratoires dans tout le Massachusetts. Sous la direction du directeur du MIT Microphotonics Center Lionel Kimerling, professeur de science et génie des matériaux, du directeur associé du MIT.nano Brian Anthony, chercheur principal en génie mécanique et du directeur associé des laboratoires de technologie des microsystèmes pour le calcul et la CAO Duane Boning, le Clarence J. LeBel Professeur en génie électrique, 1 million de dollars ont été attribués pour le premier LEAP à être établi au MIT.
Le LEAP vise à accomplir quatre tâches principales – enseigner la pratique de fabrication photonique intégrée; offrir une formation et une certification aux techniciens des petites et moyennes entreprises (PME); encourager l’engagement des startups et des PME dans les mises à niveau des outils, des processus et des applications ; et prendre en charge les plaques multi-projets AIM Photonics et les centres de test, d’assemblage et de conditionnement.
Pour atteindre ces objectifs, les professeurs et le personnel de l’Initiative du MIT pour la connaissance et l’innovation dans la fabrication (IKIM), dirigée par Kimerling, proposent des camps d’entraînement d’apprentissage mixte qui incluent une composante pratique par le biais de l’AIM Photonics Academy, une branche de l’AIM national. Photonics Institute situé au MIT, pour former les apprenants aux tests et conditionnement photoniques intégrés. Le LEAP est utilisé par les étudiants de premier cycle pour étudier la science de l’emballage, par les étudiants diplômés pour mener des recherches sur les innovations en matière d’emballage et par l’industrie locale pour le prototypage. En janvier 2022, le Microphotonics Center et l’IKIM ont lancé un consortium de l’industrie de l’emballage électronique-photonique, dirigé par Agarwal, pour promouvoir des partenariats préconcurrentiels entre les institutions universitaires, les entreprises et le gouvernement afin de développer des idées qui conduiront à des produits de nouvelle génération.
« En plus des établissements universitaires, il est important de soutenir les entreprises locales », explique Farhad Vazehgoo, directeur de MassTech pour les programmes de technologie de pointe et le développement de la main-d’œuvre. « En introduisant des PME telles que Pendar Technologies et Sheaumann Laser dans les opportunités de financement de MassTech, LEAP du MIT nous aide à jeter les bases de nouvelles entreprises de photonique à travers l’État, ce qui permettra la création d’emplois de fabrication photonique intégrée de haute technologie. »
Expansion dans le Massachusetts
Depuis ses origines au MIT, le réseau LEAP s’est étendu pour comprendre cinq laboratoires intégrés basés sur la photonique dans le Massachusetts, créant un réseau distribué géographiquement axé sur l’éducation STEM, le développement de la main-d’œuvre et la collaboration industrie/université.
Les laboratoires ne sont pas tous les mêmes. Alors que le MIT LEAP se concentre sur le conditionnement, le LEAP du Worcester Polytechnic Institute/Quinsigamond Community College est spécialisé dans les applications photoniques biomédicales ; le LEAP du Stonehill College est un centre de caractérisation des matériaux et de test d’appareils à grande vitesse ; et le LEAP de la Bridgewater State University se concentre sur les lasers infrarouges moyens et la photonique basée sur les dispositifs quantiques. Le cinquième LEAP, établi à la Western New England University/Convergent Photonics en 2020, est axé sur les lasers haute puissance.
Avoir ces différentes spécialités crée un écosystème d’expertise variée à l’échelle de l’État dans le but commun de former la main-d’œuvre manufacturière tout au long de la chaîne d’approvisionnement photonique. Les installations sont stratégiquement situées à proximité des collèges communautaires, réunissant différentes hiérarchies d’établissements universitaires ainsi que différents étudiants. « Tout le monde ne veut pas obtenir un doctorat », déclare Agarwal, soulignant l’importance d’atteindre tous les types d’apprenants et à différentes étapes de leur carrière.
Enseignement pratique de la photonique
Pour soutenir la formation en laboratoire, les LEAP utilisent des kits pédagogiques pratiques en photonique créés par l’AIM Photonics Institute. Les kits comprennent des puces conçues par le professeur Stefan Preble de l’Institut de technologie de Rochester, le professeur adjoint Jaime Cardenas de l’Université de Rochester et le professeur associé de l’Université de Boston Miloš Popović, et fabriquées à la fonderie AIM Photonics sous la direction de Kimerling. Ces puces sont constituées de dispositifs de circuits intégrés photoniques passifs et actifs qui peuvent être testés par couplage de réseau ou couplage de bord d’une fibre à la puce. Les trousses comprennent également des manuels de laboratoire détaillés pour les instructeurs et les étudiants.
Après une pause dans les camps d’entraînement en raison de Covid-19, dit Agarwal, LEAP reprend des activités régulières pour les individus de l’industrie, du milieu universitaire et du gouvernement. Du 22 au 24 mars, les LEAP du MIT et de l’Université d’État de Bridgewater ont proposé le premier camp d’entraînement conjoint sur la photonique intégrée pour former des ingénieurs à l’emballage et aux tests de dispositifs photoniques et électroniques. Au MIT.nano, les apprenants ont collé des diodes électroluminescentes montées en surface sur des cartes de circuits imprimés à l’aide d’un outil de sélection et de placement à grande vitesse ; effectué la refusion de la soudure et l’imagerie par rayons X ; et programmé leurs capteurs pour éclairer les diodes. Les tests de l’appareil ont été effectués à la Bridgewater State University LEAP.
Ceux qui ne peuvent pas participer aux ateliers LEAP en personne peuvent profiter des cours en ligne de l’AIM Photonics Academy hébergés par Manufacturing USA du département américain de la Défense. L’IKIM développe également une série de simulations d’outils de formation basées sur la réalité virtuelle (VR) dirigées par le chercheur du MIT Erik Verlage et le directeur de l’éducation de l’AIM Photonics Academy Sajan Saini à l’aide de serveurs de simulation LEAP du département de génie électrique et d’informatique du MIT Professeur Duane Le laboratoire de Boning. Lors du récent bootcamp, les participants ont testé ces simulations VR de bureau pour démontrer comment ils peuvent minimiser le temps d’orientation sur l’outil physique, réduire les bris d’outils dus aux erreurs des nouveaux arrivants et permettre une formation à distance et à votre rythme.
L’équipe du MIT continue de collaborer avec les quatre autres LEAP pour tirer parti des différentes capacités des outils. « Le réseau LEAP s’efforce d’être un modèle d’enseignement et de formation de la main-d’œuvre STEM d’apprentissage mixte pour le reste du pays », déclare Agarwal. « Des idées aux laboratoires réels, en passant par l’éducation des générations actuelles et futures, nous visons à susciter l’intérêt et l’engagement dans les STEM », ajoute Kimerling.