Snellere, energiezuinigere ICT of sensoren die iets tussen beginnend vruchtrot en microscopisch kleine scheurtjes in glasvezels detecteren:fotonische technologie belooft veel voor de toekomst. Om die beloftes waar te maken, zet een Europees consortium onder leiding van TU/e-onderzoekers de volgende stap. Het INSPIRE-project gebruikt een nieuwe printmethode om massaproductie van hybride fotonische chips mogelijk te maken. Deze combineren meerdere technologieën om nieuwe mogelijkheden voor toepassingen te creëren.

In de afgelopen decennia zijn talloze technologieën ontwikkeld om minuscule apparaten te produceren die licht genereren, detecteren, verwerken en transporteren. Toepassingen van deze fotonische chips variëren van sensoren voor het bewaken van de voedselkwaliteit tot componenten die efficiënte breedband datacommunicatie mogelijk maken.

"Kortom, de huidige fotonische chips zijn er meestal in drie smaken", doceert Martijn Heck, hoogleraar Photonic Integration en coördinator van het INSPIRE-project. "Ze zijn ofwel gebaseerd op silicium, siliciumnitride of indiumfosfide. Bij de TU/e ​​zijn we experts in dat laatste."

Elk van de momenteel gebruikte fotonische materialen heeft zijn eigen voor- en nadelen. Silicium, en vooral siliciumnitride, kan worden gebruikt om licht met lage verliezen op de chip te transporteren. En aangezien het materiaal de basis vormt onder de huidige halfgeleiderindustrie, kunnen op silicium gebaseerde chips worden geproduceerd met bestaande halfgeleiderfabricagetechnieken.

Silicium heeft echter één groot nadeel:het kan geen licht genereren. Dus als je een laser nodig hebt, moet je je wenden tot ander materiaal. En dat is waar indiumfosfide om de hoek komt kijken.

Naar een levensvatbaar industrieel productieproces

Heck:"In indiumfosfide kunnen we actieve componenten maken zoals lasers en versterkers, terwijl op siliciumnitride gebaseerde fotonica veel efficiënter is in het geleiden van het licht. Voor veel toepassingen zou een optimaal apparaat dus uit beide materialen bestaan."

Technisch gezien is het al mogelijk om indiumfosfide-apparaten bovenop op silicium gebaseerde golfgeleiders te plaatsen. Het huidige proces is echter niet geschikt voor volumeproductie, zegt Luc Augustin, CTO van SMART photonics, een gieterij die bij het project betrokken is.

"Met dit project willen we de mogelijkheden onderzoeken om hele kolommen apparaten tegelijk op te schalen en te printen. Zowel indiumfosfide- als siliciumnitridewafels kunnen in hoge volumes worden geproduceerd, waarbij elke wafer duizenden fotonische apparaten bevat. Maar wanneer we willen Als je beide materialen bij elkaar zet, moeten we dat chip voor chip doen. Dat werkt misschien prima in een laboratoriumomgeving, maar het is lang niet een levensvatbaar productieproces voor de industrie."

Het INSPIRE-project wil dat probleem oplossen en meerdere materialen combineren op een schaalbare, robuuste en kostenefficiënte manier. Heck:"In dit project brengen we drie afzonderlijke, volwassen technologieën samen:we gebruiken microtransferprinten, geleverd door X-Celeprint, om meerdere indiumfosfide-apparaten gemaakt door SMART-fotonica te printen bovenop siliciumnitridewafels die bij imec worden geproduceerd."

"In het lab is al aangetoond dat de printtechniek op één apparaatniveau werkt. Met dit project willen we de mogelijkheden onderzoeken om hele kolommen apparaten tegelijk op te schalen en te printen", vult INSPIRE-hoofdwetenschapper Yuqing Jiao aan.

Een gelaagde cake bakken

Het recept is als volgt:er wordt een siliciumnitridewafer geproduceerd met daarin de passieve componenten van de ultieme chip met een extreem vlakke en schone toplaag. Voor het indiumfosfide wordt eerst een zogenaamde lossingslaag van materiaal gekweekt. Dit wordt bedekt met de indiumfosfidelaag met daarin de actieve componenten zoals lasers, optische versterkers of fotodetectoren.

De loslaatlaag eronder wordt vervolgens weggeëtst, waarbij een reeks zeer kleine ankers achterblijft die de afzonderlijke apparaten op hun plaats houden. Vervolgens wordt de dunne coupon van indiumfosfide opgepakt, worden de ankers gebroken en wordt het indiumfosfide als geheel in wezen bovenop het siliciumnitride gestempeld. Zolang het grensvlak tussen de twee lagen glad genoeg is, is een ultradunne laag lijm voldoende om de coupon permanent op de wafer te bevestigen.

"Omdat de release-laag is gemaakt van materiaal dat we al gebruiken in onze fabricageprocessen, heeft deze laag geen invloed op de prestaties en fabricage van het apparaat", zegt Augustin van SMART Photonics. "De uitdaging zal zijn om het etsgedeelte goed te krijgen, om ervoor te zorgen dat we inderdaad alle individuele apparaten van de wafer overzetten en hun volledige functionaliteit behouden."

Jiao voegt toe:"Een andere uitdaging is om een ​​slimme manier te vinden om de 'stempels' precies te positioneren. We moeten de indiumfosfide-apparaten op hun siliciumnitride-tegenhangers plaatsen met een nauwkeurigheid van minder dan één micrometer per apparaat. En uiteindelijk moeten we een dergelijke precisie bereiken voor tienduizenden apparaten tegelijk."

Drie gebruiksscenario's

Om de kracht van de resulterende hybride technologie te demonstreren, zullen binnen het project drie specifieke use-cases worden onderzocht. De eerste is een gedistribueerde fiber sensing-uitlezing, voorgesteld door projectpartner Thales. Ze hebben behoefte aan een systeem dat met behulp van optische vezels storingen in grote constructies zoals gebouwen en bruggen kan detecteren.

Deze technologie biedt continue, realtime en nauwkeurige metingen van structurele veranderingen in de hele constructie, zelfs in de gebieden die niet toegankelijk zijn voor menselijke operators. Jiao legt uit:"Er wordt een laserpuls de vezel ingestuurd. Wanneer er een storing in de structuur is, vertaalt dit zich in een storing in de vezel, bijvoorbeeld een draaiing of een breuk."

"Hierdoor zullen er reflecties optreden. Afhankelijk van de locatie en aard van de storing verandert de intensiteit en de fase van het gereflecteerde licht. Door deze reflecties te analyseren, kan men bepalen wat er is gebeurd en waar." P>

Deze beoogde toepassing stelt hoge eisen aan de technische specificaties, vult Heck aan. "Om dit goed te doen met geïntegreerde fotonica, hebben we een zeer ruisarme laser nodig. Bovendien, omdat de signalen die we willen meten geen erg hoge intensiteit hebben, moeten we ook detectie met lage ruis en hoge resolutie bereiken. precies deze combinatie van eisen waar hybride technologie het verschil kan maken."

Een tweede use case gaat over microgolffotonica, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt in draadloze communicatie. Ook hier is Thales als eindgebruiker betrokken. Jiao:"Voor draadloze communicatie geldt dat hoe hoger de frequentie, hoe lager de dekking. Dus als je van 4G naar 5G of 6G gaat, heb je meer basisstations nodig. Om het signaal van basisstation naar basisstation te leveren, kun je gebruik optische vezels."

“In het INSPIRE-project bouwen we een pulsgenerator die de informatie uit het draadloze signaal codeert in een microgolffotonisch signaal om in de vezels te worden ingevoerd. Deze technologie is bijvoorbeeld erg handig voor militaire radartoepassingen. om het signaal door de lucht te dragen, wordt het stroomverlies verminderd en is de verbinding moeilijker te hacken door vijanden."

De derde use case, een optische switch om het energieverbruik van datacenters te verminderen, die samen met Cambridge University is onderzocht, is een meer traditionele use case vanuit een fotonica-perspectief, merkt Augustin op. "De huidige datacenters zijn allemaal fotonisch. Datacenters en telecom vormen momenteel zo'n tachtig procent van onze markt."

De uitdaging daar is om met nieuwe ontwerpen te komen voor volledig optische schakelaars die tegelijkertijd enorme hoeveelheden data kunnen schakelen, zegt Heck. "We moeten veel ingangen schakelen met veel uitgangen en met lage verliezen. In de praktijk betekent dat dat we te maken hebben met een groot aantal kruisende golfgeleiders en schakelaars op basis van actieve elementen waar we thermische overspraak moeten voorkomen."

"Aangezien het doel een volledig geïntegreerd apparaat is met slechts één interface voor glasvezelingangen en één voor uitgangen, moeten we manieren vinden om honderden optische versterkers, fasemodulatoren en golfgeleidersplitters op een enkele chip te integreren, terwijl we omgaan met de hitte die ze produceren. Als we kunnen aantonen dat deze printtechniek de grootschalige productie van hybride chips mogelijk maakt, zou dat veel nieuwe kansen bieden om nieuwe markten te verkennen", voegt Jiao toe.

Nieuwe kansen

Naast deze drie use-cases overwegen Jiao en Heck ook een vierde:optische kwantumprocessors. Heck:"Hoewel het meer een nichemarkt is, zouden toepassingen zoals enkele fotonbronnen of detectoren voor kwantumtechnologie zeker een interessante use case kunnen zijn. Het zou geweldig zijn als we indiumfosfide zouden kunnen vestigen als een platformtechnologie voor kwantumcommunicatie of zelfs kwantumtechnologie Dat zou ook mooi passen bij de missie van ons recent opgerichte Hendrik Casimir Instituut in Eindhoven, om elektronica, fotonica en kwantumtechnologie samen te brengen."

Augustin denkt ook al verder dan het project. "INSPIRE is de volgende stap in fotonische integratie. Over de hele wereld zijn mensen op zoek naar manieren om verschillende materialen in een enkele chip te combineren om nieuwe functionaliteiten toe te voegen. De printtechniek die in dit project wordt onderzocht, is een unieke en veelbelovende nieuwe richting om te doen dit."

"Als SMART Photonics ontwikkelen we generieke technologieën. Als we kunnen aantonen dat deze printtechniek grootschalige productie van hybride chips mogelijk maakt, biedt dat veel nieuwe mogelijkheden om nieuwe markten te verkennen. Als we er bijvoorbeeld een kunnen printen photonic material on top of the other, we can probably also print photonics on top of electronics, or on top of microfluidics for biosensors. Though the INSPIRE project is of a rather exploratory nature and the targets are very ambitious, our consortium comprises all of the necessary players to make this a success." + Verder verkennen

New tech builds ultralow-loss integrated photonic circuits