Op weg naar geïntegreerde micro-elektronische fotonische systemen

Door Hans van Eerden

Fotonica, oftewel lichttechnologie, omvat in brede zin alles van lasers tot lichtgebaseerde sensorsystemen tot het wereldomvattende datatransportsysteem. De focus voor de toekomst ligt op geïntegreerde fotonica. Die belooft een forse reductie van prijs en afmetingen in vergelijking tot klassieke discrete optische/fotonische systemen, met gelijktijdig een verbetering van prestaties (resolutie, nauwkeurigheid, snelheid, energieverbruik). Een opstelling met laser en optische toebehoren bijvoorbeeld is te integreren tot een photonic integrated circuit (PIC). PIC’s, oftewel fotonische chips, worden net als elektronische circuits gemaakt met behulp van lithografie. Bij de huidige stand van techniek en markt volstaan daarvoor de oudere modellen wafersteppers. Wel zijn voor het produceren van PIC’s aanpassingen aan deze machines nodig, aangezien de eisen daarvoor sterk verschillen van de eisen gesteld aan lithografie voor micro-elektronische circuits. Op de snelste lithografiemachine is nu één uur productietijd voldoende voor de volledige jaarproductie aan fotonische chips, illustreert professor Ton Backx. Hij doet aan de TU Eindhoven fotonica-onderzoek en bekleedt een spilpositie in het Nederlandse fotonica-ecosysteem.

Deze fotonische chip is bedoeld voor FTTH (fibre-to-the-home) transmitters die in een centrale de communicatie met de gebruikers verzorgen. Deze chip (4 x 6 mm) bevat onder/rechts het complete circuit en boven/links een eenvoudiger testcircuit. Het circuit onder/rechts telt acht lichtkanalen, elk met een verstembare DBR (distributed Bragg reflector) laser met net iets andere golflengte (rechts). Elk kanaal is voorzien van vier contactpads voor wire-bonding (goud, 0,1 x 0,1 mm), ten behoeve van verstemming, versterking en faseregulering. Vier kanalen worden gemoduleerd door Mach-Zehnder modulatoren (middenonder), met elk vier contactpads ten behoeve van de aansturing (voor de downstream signalen, van centrale naar de gebruiker in huis). De vier andere kanalen leveren CW (continuous wave) power voor de upstream signalen (van gebruiker naar centrale). Linksonder vindt multiplexing van de acht kanalen plaats in het AWG-blok (arrayed waveguide grating), verbonden met één enkele (naar links weglopende) glasvezel voor input en output. (Bron: Xaveer Leijtens, TU Eindhoven) 

Waar de micro-elektronica één dominant platform kent, CMOS, zijn er in de fotonica drie technologieplatformen. Eén daarvan is Si-gebaseerd en dat sluit natuurlijk goed op CMOS aan. Met silicium zijn echter uitsluitend passieve circuits te realiseren. De andere twee platformen zijn indiumfosfide (InP) en Triplex (siliciumnitride). InP is het materiaal waarmee naast passieve ook actieve fotonicacomponenten zoals lichtbronnen (lasers) en lichtversterkers zijn te maken. Triplex is het meest geschikte materiaal voor het realiseren van laag-verlies passieve componenten zoals filters en schakelaars die over een zeer groot golflengtebereik (400-2.400 nm) functioneren. Fotonische chips in de diverse platformen zijn telkens opgebouwd uit bouwblokken voor standaardfuncties.

Toepassingen

De eerste fotonische klap voor de spreekwoordelijke daalder, lees de ‘killer application’, is de datacommunicatie, waar fotonische transceivers en chips het fotonische (fibergebaseerde) dataverkeer moeten gaan reguleren. Fotonische chips zijn veel breedbandiger en energiezuiniger dan de huidige elektronische chips. Om die reden kunnen ze een halt toeroepen aan het almaar verder uitdijen van oververhitte datacenters door per transceiver veel meer dataverkeer af te handelen. Fotonen kunnen immers veel efficiënter informatie overdragen dan elektronen, ook al zijn de fotonische chipstructuren lang niet zo ver geminiaturiseerd als de micro-elektrische.

De tweede klap volgt in de telecommunicatie, waar fotonische transceivers 5G moeten faciliteren. Uiteindelijk moeten ze helpen een microcelstructuur van vele kleine basisstations met relatief lage complexiteit mogelijk te maken. Toepassing in de telecom is technologisch interessant omdat de kwaliteitseisen in deze sector hoger liggen dan in de datacom. Voor commerciële toepassing van fotonische chips zijn er nog enkele slagen in technologie en kostprijs te maken, volgens een soort fotonische wet van Moore.

PIC’s worden nu nog vaak in zogeheten MPW (multi-project wafer) runs gemaakt, met verschillende chipontwerpen op één wafer. (Foto: Bart van Overbeeke/Photon Delta) 

Op basis daarvan heeft de datacom-industrie voor 2019 een target van $1/Gbps @400Gbps gezet, meldt Backx. Oftewel, volgend jaar moet een datacommunicatiesnelheid van 400 Gbit per seconde mogelijk zijn tegen een kostprijs van 1 dollar per Gbps. Naar zijn verwachting gaat dat echter niet helemaal lukken en komt de prijs tussen $1 en $4 te liggen. Volgens hem zullen over vijf jaar fotonische transceivers 1,6 Tbps moeten kunnen verwerken.

De echt interessante toepassingen tot slot liggen in imaging en sensing, bijvoorbeeld op basis van Fibre Bragg Grating Interrogation (zie het tekstkader). Eerste niche-applicaties liggen bijvoorbeeld in de luchtvaart (monitoring van de structurele integriteit van vliegtuigvleugels en landingsgestellen) en medische technologie (sensing/imaging bij minimaal-invasieve chirurgie, medische analyses en onderzoek).

Integratie

Als belangrijke technologische uitdaging voor de korte termijn noemt Backx packaging. "Dat is tot nu toe het stiefkindje geweest, de aandacht was geconcentreerd op het ontwerpen en maken van PIC’s." Na de integratie van de fotonica zelf op een chip is packaging een tweede integratiestap, namelijk van fotonische én elektrische circuits, oftewel chipintegratie. "De komende decennia zal elk fotonisch circuit nog gespecialiseerde micro-elektronische circuits voor de aansturing nodig hebben. Want voor die aansturing moet je de materiaaleigenschappen manipuleren en dat doe je elektrisch – of elektromechanisch – door spanning op de fotonische chip aan te brengen." Volgens de huidige inzichten is de combinatie van fotonica en elektronica sneller en energiezuiniger dan de twee technologieën afzonderlijk.

Voor het integreren van fotonische en micro-elektronische circuits – aangeduid als heterogene integratie en uitmondend in integrated micro-electronic photonic systems – is er nog niet één technologie die eruitspringt, meldt Backx. "Ik heb veel vertrouwen in het sandwichen van de micro-elektronische en fotonische besturing en signaalverwerking met daarbovenop een membraan met fotonische functionaliteit. Dat levert goede prestaties in termen van verliezen en bandbreedte. Op deze manier maak je robuuste deelsysteempjes, die eenvoudig zijn te handlen." Een alternatief voor de membraanstrucuur is een eilandstructuur: ‘eilandjes’ met fotonische circuits bovenop micro-elektronische structuren.

 

PIC’s worden in een lithografieproces opgebouwd uit bouwblokken voor standaardfuncties (oftewel, basiselementen). (Bron: TU/e)  

Parallellisme

Voor verwerking van toekomstige communicatiesnelheden boven de 1 Tb/s zullen aan de elektronicakant snellere parallelle kanalen nodig zijn, stelt Backx. "Op dit moment halen prototypen tot 50 Gb/s. Een belangrijke opgave voor bandbreedtevergroting is verdere verlaging van parasitaire capaciteiten in micro-elektronische componenten. De grensfrequentie van de actieve componenten (transistoren) bepaalt de uiteindelijke limiet aan de bandbreedte. Ook de kostprijs van die micro-elektronica is – gegeven de voorlopig nog relatief lage aantallen – een uitdaging." Op termijn zal ook 50 Gb/s niet voldoende zijn en dus loopt er nog de nodige research. "Silicium haakt hier af, terwijl InP wel de gevraagde snelheden zal kunnen leveren. InP is sowieso een kerntechnologie, omdat die nodig is voor het realiseren van de actieve componenten (lichtversterkers). Het wordt daarom heel aantrekkelijk de elektronische circuits ook in InP uit voeren, voor hogere bandbreedten."

Aan de fotonicakant gaat parallellisme eveneens de vooruitgang aanjagen, voorziet Backx. "Met de verkleining van fotonische componenten valt nog wel winst te behalen, maar dat is niet de belangrijkste ontwikkelingslijn. Naarmate geïntegreerde chips voor complexere taken in beeld komen, zoals radar of radiocommunicatie, moeten ook de fotonische circuits naar een hoger complexiteitsniveau. Daarvoor moet je meer fotonische functionaliteit parallel gaan realiseren, onder meer door de breedte van het optische spectrum beter te benutten en door realisatie van meerdere parallelle systemen in één chip. Door de stabiliteit in het spectrum beter te beheersen, kun je steeds smallere banden realiseren, met steeds hogere resolutie." Een andere vorm van parallellisme is fotonische circuits parallel in lagen realiseren door in het proces nieuwe lagen te groeien met Atomic Layer Deposition, in een mate zoals dat in de micro-elektronica niet gebeurt. "Dan kun je meerdere fotonische deelsystemen op elkaar laten groeien."

Zo is parallellisme het toverwoord in de geïntegreerde ontwikkeling van fotonica en micro-elektronica voor de communicatie van de toekomst.

Fibre Bragg Grating Interrogation maakt interessante fotonische sensingtoepassingen mogelijk.
Links: licht van een bepaalde golflengte reflecteert aan een ‘grating’, een tralie met krasjes in de fiber op regelmatige afstand van elkaar. Verandert die afstand, onder invloed van temperatuur, druk of rek, dan verandert de gereflecteerde golflengte – een PIC kan dat meten.

Het Nederlandse fotonica-ecosysteem

Ons land is vanouds sterk in fotonica, in Europees verband trekker van grote onderzoeksprogramma’s en wereldwijd een voorloper in ‘roadmapping’. Een ‘bewijs’ daarvan is dat de eerste twee edities van het World Technology Mapping Forum (WTMF) in Nederland plaatsvonden, vorig jaar in Den Bosch en dit jaar in Enschede. Het WTMF moet, op initiatief van de Eindhovense hoogleraar Ton Backx, resulteren in de fotonica-evenknie van de befaamde International Technology Roadmap for Semiconductors.
Sinds kort geclusterd in Photon Delta liggen de Nederlandse fotonische zwaartepunten op en rond de TU’s in Eindhoven, Enschede en (in mindere mate) Delft, en in Nijmegen rond universiteit en NXP.

Nederland is leidend op twee van de drie technologieplatformen, namelijk InP (Eindhoven) en Triplex (Enschede). Naast universitaire onderzoeksgroepen zijn er diverse vooraanstaande bedrijven, zoals het Eindhovense Smart Photonics , een foundry voor InP-chips, het Enschedese LioniX International, bouwer van fotonische modules, en het Alkmaarder Technobis, ontwikkelaar van fotonische sensingtoepassingen. Packaging op industriële schaal staat gepland in Alkmaar en Enschede en in Nijmegen maakt het nog op te richten landelijke Chip Integration Technology Centre fotonica onderdeel van chipintegratie. Tevens kent ons land enkele design houses en een ontwikkelaar van fotonische designsoftware, Phoenix (nu onderdeel van Synopsys uit Silicon Valley).

LioniX International bouwt fotonische modules zoals deze afstembare smalbandige laser. (Foto: LioniX) 

Overheden – de provincies Gelderland, Noord-Brabant en Overijssel voorop – onderkennen de sterke Nederlandse positie. Dit voorjaar werd de Nationale Agenda Fotonica gelanceerd, met als doelstelling "de toepassing van fotonicatechnologieën voor het oplossen van maatschappelijke uitdagingen en het creëren van nieuwe bedrijvigheid te intensiveren en te versnellen". Een maand later presenteerde Photon Delta een publiek-privaat investeringsplan voor 242 miljoen euro in acht jaar. Dit plan geeft invulling aan de in het regeerakkoord gemaakte afspraken voor investering in technologische en economische ontwikkelingen op het gebied van geïntegreerde fotonica. Het is ter bevestiging aangeboden aan staatssecretaris Mona Keizer.