ICT più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico o sensori per rilevare qualsiasi cosa tra l'inizio della putrefazione della frutta e le crepe microscopiche nelle fibre di vetro:la tecnologia fotonica ha grandi promesse per il futuro. Per mantenere queste promesse, un consorzio europeo guidato dai ricercatori TU/e ​​compie il passo successivo. Il progetto INSPIRE utilizza un nuovo metodo di stampa per consentire la fabbricazione in serie di chip fotonici ibridi. Questi combinano più tecnologie per creare nuove possibilità di applicazioni.

Negli ultimi decenni è stata sviluppata una miriade di tecnologie per produrre minuscoli dispositivi che generano, rilevano, elaborano e trasportano la luce. Le applicazioni di questi chip fotonici vanno dai sensori per il monitoraggio della qualità degli alimenti ai componenti che consentono un'efficiente comunicazione di dati a banda larga.

"Fondamentalmente, gli attuali chip fotonici sono disponibili principalmente in tre versioni", spiega Martijn Heck, professore di integrazione fotonica e coordinatore del progetto INSPIRE. "Sono a base di silicio, nitruro di silicio o fosfuro di indio. In TU/e ​​siamo esperti in quest'ultimo."

Ciascuno dei materiali fotonici attualmente utilizzati ha i propri pro e contro. Il silicio, e in particolare il nitruro di silicio, possono essere utilizzati per trasportare la luce sul chip con basse perdite. E poiché il materiale costituisce la base nell'attuale industria dei semiconduttori, i chip a base di silicio possono essere prodotti con le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori esistenti.

Tuttavia, il silicio ha un grosso svantaggio:non può generare luce. Quindi, se hai bisogno di un laser, dovrai rivolgerti a qualche altro materiale. Ed è qui che entra in gioco il fosfuro di indio.

Verso un processo produttivo industriale sostenibile

Diamine:"Con il fosfuro di indio siamo in grado di realizzare componenti attivi come laser e amplificatori, mentre la fotonica a base di nitruro di silicio è molto più efficiente nel guidare la luce. Per molte applicazioni, un dispositivo ottimale sarebbe quindi costituito da entrambi i materiali."

Tecnicamente, è già possibile posizionare dispositivi al fosfuro di indio sopra guide d'onda a base di silicio. Tuttavia, l'attuale processo non è adatto per la produzione in serie, afferma Luc Augustin, CTO di SMART photonics, una fonderia coinvolta nel progetto.

"Con questo progetto vogliamo studiare le possibilità di aumentare e stampare intere colonne di dispositivi contemporaneamente. Sia fosfuro di indio che wafer di nitruro di silicio possono essere prodotti ad alti volumi, dove ogni wafer contiene migliaia di dispositivi fotonici. Ma quando vogliamo mettendo insieme entrambi i materiali, dobbiamo farlo chip per chip. Potrebbe funzionare bene in un ambiente di laboratorio, ma non è affatto vicino a un processo di produzione praticabile per l'industria."

Il progetto INSPIRE mira a risolvere questo problema e combinare più materiali in modo scalabile, robusto ed economico. Heck:"In questo progetto, uniamo tre tecnologie mature separate:utilizziamo la stampa a microtransfer, fornita da X-Celeprint, per stampare più dispositivi al fosfuro di indio realizzati da SMART photonics su wafer di nitruro di silicio prodotti da imec".

"È già stato dimostrato che la tecnica di stampa funziona su un singolo dispositivo in laboratorio. Con questo progetto vogliamo studiare le possibilità di aumentare e stampare intere colonne di dispositivi contemporaneamente", aggiunge Yuqing Jiao, capo scienziato di INSPIRE.

Come cuocere una torta a strati

La ricetta è la seguente:un wafer di nitruro di silicio contenente i componenti passivi del chip definitivo viene prodotto con uno strato superiore estremamente piatto e pulito. Per il fosfuro di indio, viene prima coltivato un cosiddetto strato di rilascio di materiale. Questo è ricoperto dallo strato di fosfuro di indio contenente i componenti attivi come laser, amplificatori ottici o fotorilevatori.

Lo strato di rilascio sottostante viene quindi inciso, lasciando dietro di sé una serie di ancoraggi molto piccoli che tengono in posizione i dispositivi separati. Quindi viene raccolto il sottile coupon di fosfuro di indio, le ancore vengono rotte e il fosfuro di indio nel suo insieme viene essenzialmente stampato sopra il nitruro di silicio. Finché l'interfaccia tra i due strati è sufficientemente liscia, è sufficiente uno strato ultrasottile di adesivo per attaccare permanentemente il coupon al wafer.

"Poiché lo strato di rilascio è costituito da materiale che già utilizziamo nei nostri processi di fabbricazione, questo strato non influirà sulle prestazioni e sulla fabbricazione del dispositivo", afferma Augustin di SMART Photonics. "La parte difficile sarà quella di ottenere la parte di incisione corretta, per assicurarci di trasferire effettivamente tutti i singoli dispositivi dal wafer e mantenere la loro piena funzionalità."

Jiao aggiunge:"Un'altra sfida è trovare un modo intelligente per posizionare con precisione i 'timbri'. Abbiamo bisogno che i dispositivi al fosfuro di indio siano posizionati sopra le loro controparti al nitruro di silicio con una precisione inferiore a un micrometro per dispositivo. E, in definitiva, dobbiamo raggiungere tale precisione per decine di migliaia di dispositivi contemporaneamente."

Tre casi d'uso

Per dimostrare la potenza della tecnologia ibrida risultante, all'interno del progetto verranno esplorati tre casi d'uso dedicati. Il primo è una lettura distribuita del rilevamento della fibra, proposta dal partner del progetto Thales. Hanno bisogno di un sistema in grado di rilevare guasti in grandi strutture come edifici e ponti con l'ausilio di fibre ottiche.

Questa tecnologia offre misurazioni continue, in tempo reale e di precisione dei cambiamenti strutturali nell'intera struttura, anche nelle aree non accessibili agli operatori umani. Jiao spiega:"Un impulso laser viene inviato nella fibra. Ogni volta che si verifica un guasto nella struttura, questo si traduce in un guasto nella fibra, ad esempio una torsione o una frattura."

"Di conseguenza, si verificheranno dei riflessi. A seconda della posizione e della natura del guasto, l'intensità e la fase della luce riflessa cambieranno. Analizzando questi riflessi, si può determinare cosa è successo e dove."

Questa applicazione immaginata è molto impegnativa in termini di specifiche tecniche, aggiunge Heck. "Per farlo correttamente con la fotonica integrata, avremo bisogno di un laser a bassissimo rumore. Inoltre, poiché i segnali che vogliamo misurare non avranno un'intensità molto elevata, dobbiamo anche ottenere un rilevamento a basso rumore e ad alta risoluzione. È proprio questa combinazione di requisiti in cui la tecnologia ibrida può fare la differenza."

Un secondo caso d'uso riguarda la fotonica a microonde, utilizzata ad esempio nella comunicazione wireless. Anche qui Thales è coinvolto come utente finale. Jiao:"Per la comunicazione wireless, maggiore è la frequenza, minore è la copertura. Quindi, quando si passa da 4G a 5G o 6G, sono necessarie più stazioni base. Per fornire il segnale dalla stazione base alla stazione base, è possibile utilizzare fibre ottiche."

"Nel progetto INSPIRE stiamo costruendo un generatore di impulsi che codifica le informazioni dal segnale wireless in un segnale fotonico a microonde da inserire nelle fibre. Questa tecnologia è ad esempio molto utile per applicazioni radar militari. Dal momento che non si dispone di per trasportare il segnale nell'aria, la perdita di potenza è ridotta e la connessione è più difficile da hackerare da parte dei nemici."

Il terzo caso d'uso, uno switch ottico per ridurre il consumo energetico dei data center, esplorato insieme all'Università di Cambridge, è più tradizionale dal punto di vista fotonico, commenta Augustin. "I datacenter attuali sono tutti fotonici. I datacenter e le telecomunicazioni rappresentano attualmente circa l'ottanta per cento del nostro mercato."

La sfida consiste nel proporre nuovi design per switch completamente ottici in grado di trasferire contemporaneamente enormi quantità di dati, afferma Heck. "Dobbiamo commutare molti ingressi con molte uscite e con basse perdite. In pratica ciò significa che dobbiamo affrontare una miriade di guide d'onda incrociate e interruttori basati su elementi attivi in ​​cui è necessario prevenire la diafonia termica".

"Poiché l'obiettivo è un dispositivo completamente integrato con una sola interfaccia per gli ingressi in fibra e una per le uscite, dobbiamo trovare il modo di integrare centinaia di amplificatori ottici, modulatori di fase e divisori di guida d'onda su un singolo chip, affrontando il calore che essi genererà. Se potessimo dimostrare che questa tecnica di stampa consente la produzione su larga scala di chip ibridi, si aprirebbero molte nuove opportunità per esplorare nuovi mercati", aggiunge Jiao.

Nuove opportunità

Oltre a questi tre casi d'uso, Jiao e Heck ne stanno contemplando anche un quarto:i processori quantistici ottici. Diamine:"Sebbene siano più di nicchia, applicazioni come sorgenti di fotoni singoli o rivelatori per la tecnologia quantistica potrebbero certamente rappresentare un caso d'uso interessante. Sarebbe fantastico se potessimo stabilire il fosfuro di indio come tecnologia di piattaforma per la comunicazione quantistica o addirittura quantistica calcolo. Ciò si adatterebbe perfettamente anche alla missione del nostro Eindhoven Hendrik Casimir Institute, di recente costituzione, di riunire elettronica, fotonica e tecnologia quantistica."

Inoltre, Augustin sta già pensando oltre il progetto. "INSPIRE è il prossimo passo nell'integrazione fotonica. In tutto il mondo, le persone sono alla ricerca di modi per combinare diversi materiali in un unico chip per aggiungere nuove funzionalità. La tecnica di stampa esplorata in questo progetto è una nuova direzione unica e molto promettente da fare questo."

"Come SMART Photonics, sviluppiamo tecnologie generiche. Se potessimo dimostrare che questa tecnica di stampa consente la produzione su larga scala di chip ibridi, si aprirebbero molte nuove opportunità per esplorare nuovi mercati. Ad esempio, se potessimo stamparne uno 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." + Esplora ulteriormente

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