La Comunicazione N.R.&N.
a), b)
Stefano Penna
,
a)
Silvia Di Bartolo ,
a)
Vincenzo Attanasio ,
b)
Akira Otomo ,
c)
Leonardo Mattiello
a)
Istituto Superiore delle
Comunicazioni e delle
Tecnologie
dell'Informazione (ISCOM)
b)
Advanced ICT Research
Institute - National
Institute of Information
and Communications
Technology (NICT), Kobe
(Giappone)
c) Dipartimento di Scienze
di Base e Applicate per
l`Ingegneria - Sapienza
Università di Roma
Tecnologie di fotonica integrata:
dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
Sommario: L’affermazione recente della fotonica in silicio e più in
generale della fotonica integrata sta introducendo una nuova
tecnologia di base di dispositivi per applicazioni ad ampio spettro, dalla
sensoristica all’ICT alle applicazioni più strettamente datacom.
Attraverso gli strumenti di finanziamento del settimo programma
quadro, negli ultimi anni l’Europa ha sviluppato diverse piattaforme
tecnologiche per la realizzazione di dispositivi fotonici integrati,
introducendo nuovi modelli di business basati sulla condivisione delle
infrastrutture di fabbricazione tra più partner per consentire la
sostenibilità economica dello sviluppo tecnologico. Il contributo descrive
i progressi ottenuti nello sviluppo delle tecnologie fotoniche integrate,
focalizzandosi sui recenti risultati della tecnologia ibrida SilicioOrganica (SOH), e fornisce una panoramica dei principali partenariati.
Abstract: The recent success of Silicon Photonics and more
generally of the integrated photonic technologies led to a new device
concept for a wide range of applications, from sensors to ICT and
datacom. Through the funding of the Framework Programmes (FP), the
European Union supported the constitution of more technology
platforms aimed at the fabrication of integrated photonic devices,
easing the introduction of a new business model based on shared
manufacturing facilities among more partners to enable the economical
and financial sustainability of the technological development. The
following contribution reports the main achievements of the different
integrated photonic technologies, focusing on the recent results of the
Silicon Organic Hybrid (SOH) technology, and provides an overlook of
the main partnerships.
1. Introduzione
L'ultima decade ha visto profondi mutamenti nel mondo
industriale e tecnologico legato alla fotonica, da un lato con
l’esplosione della bolla delle aziende “dot-com”, che dopo una crescita
vorticosa ha subito una battuta di arresto nei primi anni del duemila a
favore dell'economia di servizi basata sullo sfruttamento delle
potenzialità della banda larga, come nel caso degli operatori OTT (Over
The Top), dall'altro dai raggiunti limiti fisici e tecnologici del mondo
101
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
della microelettronica che proprio nella fotonica vedono una possibile
soluzione, introducendo pertanto nuove prospettive di applicazione. Il
risultato di questo processo di cambiamento, ancora in essere, e` nella
definizione di Key Enabling Technology che l'Europa ha dato della
fotonica all'interno del programma quadro Horizon2020, intendendo
una tecnologia abilitante per l'innovazione in ambiti che spaziano oltre
le pure tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT), dalla
sensoristica fino alla microelettronica e alle comunicazioni dati
(datacom), che nell'attuale era dei data center costituiscono forse la
principale area di sviluppo.
I principali vantaggi delle tecnologie fotoniche derivano dalle
peculiarità legate alla radiazione ottica, su tutte la larghezza della
banda potenzialmente disponibile (centinaia di THz), fino a quattro
ordini di grandezza superiore alla banda attualmente disponibile con le
tecnologie elettroniche (decine di GHz). A questo proposito la Legge di
Moore, una legge empirica del 1965 inizialmente mirata ad anticipare i
trend di crescita delle prestazioni dei processori nel solo decennio
seguente e dimostrandosi invece valida fino ad oggi, predice
l'incremento della frequenza di clock dei processori e la conseguente
riduzione di dimensioni dei transistor con un passo che si stima
raggiungerà i limiti fisici entro il 2020 [1]. Tali limiti sono legati appunto
al dominio elettrico dei segnali, per i quali una miniaturizzazione delle
connessioni elettriche all'interno de e tra chip porta ad un incremento
della potenza dissipata e soprattutto a valori di resistività maggiori che
limitano la banda disponibile e quindi la velocità di elaborazione del
dispositivo finale.
Un'ulteriore considerazione riguarda l'aspetto energetico. Come
anticipato, negli attuali processori basati su tecnologia elettronica
CMOS l'incremento della velocità porta ad un aumento della potenza
dissipata, in particolar modo nelle interconnessioni tra transistor, con
un tetto massimo di potenza dissipabile pari a 200W per un'area di 2
cm2. Al raggiungimento di questo limite le attuali interconnessioni
elettriche contribuiscono sensibilmente, con una crescita più che
lineare all'aumento della frequenza di clock. Questo aspetto ha portato
dagli anni 2000 all'introduzione del concetto di processori multi-core,
basati su calcolo parallelo [1][2].
Da quanto sopra riportato ne consegue anche un aspetto
meramente energetico, con la necessità di disporre di tecnologie a
maggiore efficienza ovvero dal minore consumo, a parità di prestazioni
garantite. Da questo punto di vista l'impiego di concetti legati alla
fotonica ed in particolare mutuati dalle reti ottiche, come la
multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (Wavelength, Division
Multiplexing, WDM), permettono di garantire un intrinseco
parallelismo, oltre a larga banda e quindi alta velocità di elaborazione,
sostanziale immunità dalle perdite capacitive e resistive tipiche delle
connessioni metalliche e interferenza tra canali adiacenti
comparabilmente nulla [1][2]. Per meglio comprendere l'impatto di
102
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
queste caratteristiche si possono citare i dati forniti da Google ed
Amazon relativamente agli effetti che ha sul proprio fatturato il
parametro di latenza, ovvero il tempo richiesto dalla rete internet per
fornire all'utente le informazioni da lui richieste, che e` direttamente
legato alla velocità di connessione. In particolare, per Google un
incremento di mezzo secondo sul tempo medio di caricamento di una
pagina di ricerca e` causa del 20% di riduzione del traffico di ricerca,
mentre per Amazon 100 ms di aumento nel tempo di caricamento di
una pagina portano ad un calo di vendite dell'1%. E` evidente come per
queste aziende la latenza, dominata in particolare dalla velocità di
trasferimento dati all'interno dei propri data centers, rappresenti il
fulcro abilitante della generazione di profitto. Questo aspetto
rappresenta il principale traino per lo sviluppo di interconnessioni
interamente ottiche anche per infrastrutture di rete locale come i data
centers, che richiedono di fianco alle prestazioni tipiche della banda
ottica un livello di integrazione e miniaturizzazione molto elevato per
trovare spazio all’interno delle server farm.
Lo sfruttamento della fotonica in contesti attualmente dominati
dalla microelettronica, con dispositivi fotonici in grado di garantire
velocità elevate con minori consumi energetici, e` possibile unendo il
concetto di dispositivo ottico al concetto di dispositivo integrato, con la
definizione pertanto di circuito fotonico integrato o PIC (Photonic
Integrated Circuit), ovvero un chip che è in grado di elaborare al suo
interno l’informazione come segnale ottico implementando su un unico
substrato o piattaforma le principali funzioni ottiche, quali ad esempio
generazione di luce, ricezione, modulazione e filtro. Si deve comunque
evidenziare come un chip interamente ottico abbia poco senso ai fini
pratici, dal momento che l’informazione viene comunque generata e
gestita come segnale elettrico, pertanto un PIC deve soddisfare anche
la compatibilità con le tecnologie elettroniche, su tutte la CMOS, per
potersi interfacciare in modo adeguato con costi contenuti,
possibilmente condividendo anche la stessa piattaforma e
auguratamente anche lo stesso flusso di processo di fabbricazione.
Per questo motivo negli ultimi anni si e` imposta sempre più la
Silicon Photonics [3], ad indicare la classe di dispositivi fotonici
compatibili con il Silicio. Tale affermazione e` legata ad aspetti di
carattere economico, considerando i forti investimenti in tecnologia
richiesti da un impianto di produzione di chip, nell'ordine di qualche
miliardo di dollari, che costituiscono una pesante barriera
all'introduzione di tecnologie alternative su scala industriale.
Storicamente ed attualmente le linee di produzione di chip sono
state e sono tuttora dominate dalla tecnologia CMOS basata su Silicio
ed il basso costo dei dispositivi prodotti, a fronte dell'ingente costo
degli impianti di fabbricazione, e` assicurato dagli alti volumi di
produzione e di mercato che consentono di ripartire in modo
sostenibile i costi di investimento sugli impianti e lo sviluppo dei
processi [4]. Ad oggi, gli sforzi delle aziende e degli enti di ricerca del
103
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
settore concentrati sullo sviluppo di dispositivi fotonici compatibili o
integrabili su Silicio ha consentito di dimostrare separatamente tutte le
principali funzionalità ottiche (generazione [5][6], rivelazione [7],
modulazione [8]). Tuttavia la sfida maggiore è rappresentata proprio
dall’integrazione di queste funzioni in un unico sistema che riproduca a
livello di circuito nanometrico una rete ottica, da cui la definizione di
on-chip networks.
L'elemento chiave di un PIC, che rappresenta anche la principale
differenza rispetto ad un chip prettamente elettronico, e` costituito
dall'elemento di connessione: la guida d'onda. Se nei chip elettronici le
frequenze specifiche dello spettro elettromagnetico consentono un
trasferimento della radiazione tramite connessioni metalliche con
dimensioni nell'ordine delle decine di nanometri (1 nm = 10-9 m), nei
PIC la radiazione ottica deve essere confinata all'interno di guide
d'onda che hanno dimensioni caratteristiche confrontabili con le
lunghezze d'onda della radiazione stessa, nell’ordine di 100 nm – 1 µm.
Questo rappresenta un primo limite dei PIC, ovvero l’impossibilità
attualmente di portare il fattore di forma alla stessa scala attuale dei
transistor CMOS, introducendo quindi un limite alla densita` massima
di chip raggiungibile. Nella Silicon Photonics, l'impiego del Silicio come
elemento guidante della luce permette di ottenere strutture altamente
confinanti, quindi con basse perdite ottiche, legate all'alto contrasto di
indice di rifrazione tra il nucleo, costituito di Silicio che ha indice di
rifrazione nel vicino infrarosso pari a n=3.48, ed il substrato e, quando
presente, il mantello (cladding), che sono tipicamente costituiti di
materiali come Ossidi o altri dielettrici caratterizzati da indici di
rifrazione con valori minori, compresi tra 1.44 e 2. Il contrasto d'indice
che ne risulta si attesta intorno al 40%. Per avere un'idea di raffronto,
nelle fibre ottiche in vetro, l’esempio più noto di guida d’onda ottica, il
contrasto d'indice e` inferiore all’1%.
Questa caratteristica dei PIC in Silicio consente di ottenere campi
ottici estremamente confinati e pertanto rende possibile la
realizzazione di dispositivi con minore fattore di forma e maggiore
efficienza, come nel caso dei modulatori di fase, in cui le prestazioni e
le dimensioni delle sezioni attive dipendono dal fattore di
confinamento della radiazione ottica. Consentono inoltre di ridurre le
dimensioni caratteristiche delle guide al di sotto di 1 µm, a fronte
tuttavia di un incremento delle perdite ottiche.
2. Tecnologie
Come anticipato, esistono differenti tipologie di piattaforme di
integrazione fotonica, ognuna con una una sua particolare peculiarietà
che ne rende possibile l’impiego per specifiche applicazioni. Tale
diversità riflette la principale differenza tra l’elettronica integrata e la
fotonica integrata, ovvero mentre l’elettronica integrata è chiaramente
dominata dal Silicio, la fotonica integrata vede invece un’etereogeneità
104
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
di materiali impiegati per la realizzazione delle diverse funzionalità
ottiche: semiconduttori elementari, come Silicio e Germanio, o
composti, come Fosfuro d’Indio (InP) ed Arseniuro di Gallio (GaAs),
materiali dielettrici, come Diossido di Silicio (SiO 2 ) o Nitruri di Silicio
(Si 3 N x ), polimeri e cristalli non lineari come il Niobato di Litio (LiNbO 3 ).
Questa eterogeneità di materiali è stata la principale barriera allo
sviluppo dei PIC, ma come vedremo nel seguito oggi questa
problematica viene affrontata con soluzioni promettenti e soprattutto
con un sensibile cambio di appoccio allo sviluppo.
La tecnologia fotonica integrata più compatibile con la tecnologia
CMOS è la Silicon Photonics, che consente di ottenere dispositivi
sostanzialmente
passivi,
privi
cioè
della
funzione
di
generazione/amplificazione ottica, a fronte però di una più semplice
integrazione con gli esistenti circuiti elettronici e di ottime prestazioni;
la tecnologia basata su Fosfuro d’Indio, un semiconduttore del gruppo
III-V, è invece l’unica per ora in grado di consentire la realizzazione di
dispositivi attivi su chip grazie all’emissione dell’InP nelle lunghezze
d’onda della banda C (1530 nm – 1565 nm), a fronte però di perdite
ottiche su guida d’onda superiori di un ordine di grandezza al Silicio; da
ultimo, la piattaforma basata su Nitruro di Silicio (Si 3 N 4 ) permette di
ottenere guide d’onda con bassissime perdite ottiche su un ampio
intervallo di lunghezze d’onda, dal visibile all’infrarosso, aggiungendo
anche funzionalità termo-ottiche.
2.1 Silicon Photonics
Quando si parla di Silicon Photonics, generalmente ci si riferisce a
dispositivi basati su substrato di Silicon On Insulator (SOI), che in uno
dei processi di fabbricazione più tipici è costituito da un wafer di Silicio,
detto handle, al di sopra del quale viene “attaccato” (bonding) uno
strato di Ossido di Silicio, l’isolante anche detto BOX (Buried Oxide),
che sulla superficie superiore presenta un ulteriore film sottile di Silicio,
detto seed [9]. Il Silicio seed ha la funzione tipicamente di core nelle
guide d’onda mentre il BOX funge da mantello, oltre che da substrato,
consentendo quindi una propagazione ottica con perdite ridotte. Come
accennato in precedenza, l’elevato contrasto d’indice del Silicio rispetto
al BOX consente di realizzare strutture con dimensioni caratteristiche
intorno a 250 nm, a fronte però di maggiore perdita ottica (nell’ordine
di 1 dB/cm), sensibilità alla polarizzazione e soprattutto un più difficile
accoppiamento con la fibra ottica. E’ stata pertanto ipotizzata una
differenziazione di guide d’onda a seconda del fine d’uso, puntando su
strutture a dimensioni più ridotte per collegamenti intra ed inter-chip,
in cui l’accoppiamento ottico in fibra non è necessario e soprattutto le
lunghezze di collegamento tipiche sono sostanzialmente ridotte, ed
impiegando strutture di dimensioni maggiori, nell’ordine di 2-3 µm, per
i collegamenti di lunghezza maggiore, portando a perdite
caratteristiche inferiori a 0.3 dB/cm, e per l’accoppiamento esterno in
fibra [1].
105
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
Dal momento che il Silicio è un materiale a band gap indiretto non
può essere facilmente impiegato per la realizzazione di sorgenti
ottiche; di conseguenza, la piattaforma SOI viene solitamente
impiegata per la realizzazione di PIC sostanzialmente passivi.
L’obiettivo di realizzare laser su Silicio, ad esempio tramite nanocristalli
[10] o tramite drogaggio del Silicio stesso con materiali ad emissione IR
come l’Erbio [10], costuisce oggi una sfida ancora aperta. A tal
proposito, nel 2004 la University of California Santa Barbara [5] e in
forma migliorata Intel nel 2005 [6] hanno dimostrato emissione laser
da Silicio sfruttando l’effetto Raman, le cui effettive possibilità di
integrazione a basso costo su chip devono comunque essere ancora
dimostrate. Per questo motivo la Silicon Photonics basata su SOI viene
considerata per lo più per dispositivi passivi, ovvero, oltre alle già citate
guide d’onda: accoppiatori [11][12][13], riflettori di Bragg (DBR) [14], e
AWG (Arrayed Waveguide Gratings) [15].
Per quanto riguarda la funzione di fotorivelazione, dal momento
che il Silicio è trasparente alle lunghezze d’onda superiori a 1100 nm, si
utilizza un film sottile di Germanio, che è compatibile con il processo
CMOS, in posizione adiacente al core di Silicio per sfruttare
l’accoppiamento dei modi evanescenti. Sono stati dimostrati rivelatori
con bande fino a 120 GHz [16] e responsività superiore a 1.05 A/W
[17], sebbene non integrati su piattaforma.
2.2 Fosfuro d’Indio
La piattaforma basata su InP è quella che attualmente consente di
realizzare i PIC più complessi, in particolare per le caratteristiche
intrinseche del InP che permette l’implementazione di funzioni chiave
dei circuiti fotonici come le funzioni attive di emissione laser e
amplificazione.
Pertanto i blocchi funzionali realizzabili coprono l’intera gamma
delle funzioni ottiche, come illustrato nella tabella dell’Istituto COBRA
(Communications Technologies Basic Research and Applications)
dell’Università Tecnica di Eindhoven [18] riportata in figura 1,
riassumbili in funzioni passive, modulatori di fase, amplificatori ottici e
covertitori di polarizzazione [19]: accoppiatori MMI couplers ed AWG,
switch ottici e modulatori, laser multi-lunghezza d’onda e tunabili, flipflops e convertitori di lunghezza d’onda ultraveloci, laser al
picosecondo e splitter e convertitori di polarizzazione [18][19].
In modo simile alla microelettronica, le diverse funzioni si possono
ottenere combinando tra loro i singoli blocchi funzionali. L’introduzione
degli Arrayed Waveguide Gratings (AWG) ha consentito di
incrementare la complessità dei PIC su InP, arrivando in tempi recenti
ad ottenere chip fotonici con oltre 450 componenti integrati su singolo
substrato [20][21]. A questo proposito, osservando i tempi di progresso
e le prestazioni ottenute, il COBRA ha proposto un interessante
parallelismo con la legge di Moore, di fatto confermandone la validità
anche per la microfotonica integrata [19].
106
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
I componenti passivi su InP godono di prestazioni non ottimali per
quanto riguarda le perdite ottiche, che hanno in media un’ordine di
grandezza superiore ai corrispettivi in Silicon Photonics. Di
conseguenza si adattano per la realizzazione di chip ad elevata densità,
in cui la lunghezza ottiche, ma non riescono a garantire un’efficiente
connessione su lunghezze maggiori.
Tuttavia, anche per incrementare le possibilità di applicazione della
tecnologia InP, che come vedremo nella sezione successiva segue un
nuovo approccio mirato a favorire lo sviluppo in chiave commerciale
della fotonica integrata, un’intensa attività di R&D riguarda
l’integrazione delle sorgenti e degli amplificatori InP su Silicon
Photonics.
Figura 1. Elementi circuitali
e funzionalità ottiche nei
circuiti fotonici integrati
basati su piattaforma InP
[18]
Da questo punto di vista le difficoltà risiedono nella diversa
costante reticolare tra InP e Silicio (variazione del 4%) e al diverso
coefficiente di espansione termica, che rende impossibile applicare i
metodi classici di bonding ad alta temperatura. Inoltre, il bonding
pregiudica le possibilità di elevata portata di produzione ottenibile con
la Silicon Photonics, riguardando un processo intrinsecamente più lento
e delicato.
Ad ogni modo, un’interessante alternativa ai processi di bonding a
bassa temperatura basata su plasma di Ossigeno [22] è costituita
dall’adesione mediante polimero, tipicamente DVS-BCB [23], tramite
processi in soluzione liquida più a basso costo.
107
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
2.3 Nitruro di Silicio
La tecnologia basata su Nitruro di Silicio Si 3 N 4 consente di ottenere
perdite minime pari a 0.00045 dB/cm [26], preservando tali
caratteristiche anche in caso di bassi raggi di curvatura, necessari per
connettere i blocchi del chip minimizzando il loro fattore di forma. In
particolare determinante per ottenere simili prestazioni è la
realizzazione di strutture caratterizzate dall’alternanza di Si 3 N 4 ed SiO 2 .
Il processo di fabbricazione compatibile con la tecnologia CMOS è
caratterizzato da processi di deposizione chimica in fase vapore (CVD) a
bassa pressione.
Questo processo permette di ottenere una composizione stabile
dei materiali, requisito necessario per il controllo delle loro proprietà
ottiche che influenzano le prestazioni della propagazione all’interno
della guida d’onda. La finestra di trasmissione dei due materiali
permette la realizzazione di guide a bassa perdita su un ampio
intervallo spettrale, dal visibile violetto (400 nm) fino all’infrarosso
(2350 nm), adattandosi pertanto ad applicazioni che vanno oltre le
comunicazioni insenso stretto, includendo la sensoristica ed il
biomedicale. Sono state definite tre geometrie di guida d’onda: box
shell [24], doppia striscia [25] e filled box [26].
In particolare, altra peculiarietà delle strutture basate su Si3N4
nella tecnologia proprietaria TriPlex, è la possibilità di abbinare l’alto
contrasto d’indice con l’accoppiamento ottico tra chip e fibra, due
obiettivi che solitamente sono mutuamente esclusivi con strutture in
Silicon Photonics [26].
2.4 Silicon Organic Hybrid Technology
Un ramo della Silicon Photonics basata sul SOI è la cosiddetta
Silicon Organic Hybrid Technology (SOH) [27], che fa uso di materiali
attivi di origine organica, come monomeri [27] e soprattutto polimeri
[28][29], che introducono vantaggi come il basso costo di processo, in
particolare per i polimeri dal momento che possono essere lavorati in
fase liquida con tecniche di stampa, la facilità di integrazione legata alla
loro natura amorfa che elimina le restrizioni dell’uguaglianza della
costante reticolare con il Silicio e soprattutto le possibilità uniche e
potenzialmente illimitate di migliorare o, usando un termine in voga
nella comunità scientifica, “cucire” le proprietà dei materiali
specificatamente per una determinata applicazione (molecular
tailoring) tramite il design molecolare e la conseguente sintesi chimica.
Quest’ultimo aspetto consente di ottenere materiali che in alcuni casi
sorpassano in prestazioni gli analoghi inorganici.
Un ulteriore vantaggio della tecnologia SOH è la sua completa
compatibilità con il processo di fabbricazione CMOS, in particolare si
configura come un processo di back-end, ovvero che si pone al termine
del tipico flusso di processo CMOS, pertanto può essere integrato senza
indurre variazioni nelle linee di produzione già presenti e per di più con
processi di stampa, dai costi caratteristici trascurabili rispetto al resto
della linea di produzione. Intrinsecamente, l’uso di materiali organici
108
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
consente di replicare le caratteristiche di basse perdite ottiche dei
dispositivi basati su SOI dal momento che le condizioni di alto contrasto
d’indice tra Silicio e polimeri sono preservate.
L’applicazione più nota di tecnologia SOH è la modulazione di fase,
ottenuta tramite l’impiego di polimeri elettro-ottici che mostrano
coefficienti non lineari di molto superiori a 100 pm/V [30] (l’analogo
inorganico, il Niobato di Litio, è nell’ordine di 30-40 pm/V). La
tecnologia SOH è spesso associata alle guide d’onda slot [31] per via
dell’elevata concnetrazione di campo ottico all’interno della struttura
nanometrica. La guida d’onda slot è basata su tecnologia SOI e,
sfruttando la forte discontinuità di campo elettrico tra il Silico ed il
materiale che compone lo slot, solitamente un polimero o un Ossido di
Silicio, induce un miglioramento del campo nella centrale regione di
slot di un fattore pari al rapporto delle rispettive costanti dielettriche
dei materiali, ovvero al quadrato degli indici di rifrazione, n Si 2/n slot 2=46, come si può osservare nel profilo di campo ottico mostrato in figura,
con fattori di confinamento della radiazione ottica che superano il 30%.
Accoppiando le guide d’onda slot ai materiali elettro-ottici è possibile
ottenere modulatori di fase o anche, composti all’interno di strutture
inteferometriche Mach Zender, modulatori di ampiezza che presentano
valori di tensione V π inferiori ad 1V [32] e soprattutto bitrate superiori
a 100 Gbit/s, con punte a 160 Gb/s [33].
Figura 2. Struttura di una
guida d‘onda slot striploaded per modulatori
fotonici in tecnologia SOH e
immagine al microscopio
elettronico (SEM)
Utilizzando lo stesso tipo di materiali elettro-ottici è possibile
realizzare anche la funzione di commutazione (switching) ad alta
frequenza, necessaria per applicazioni specifiche come i data center in
cui a breve termine saranno richiesti tempi caratteristici di switching
nell’ordine dei nanosecondi, mentre allo stato dell’arte i tempi
caratteristici sono nell’ordine dei ms, con valori di punta dimostrati
nell’ordine dei 100 µs. Alcuni esempi, mirati per ora più alla
dimostrazione concettuale, mostrano tensione di switching inferiore a
10V con un coefficiente nonlineare pari a 250 pm/V su lunghezza di
accoppiamento di 1.7 cm [34].
Similmente ai materiali organici elettro-ottici è possibile utilizzare
anche altri tipi di materiali che ben si accoppiano alla tecnologia SOI
per la realizzazione di sorgenti o di fotorivelatori.
109
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
In particolare i materiali organici drogati con Erbio possono
fungere da materiali attivi per la generazione/amplificazione della
radiazione IR a 1550 nm all’interno del chip. A questo proposito sono
stati dimostrati elettroluminescenza da LED organico cresciuto su Silicio
con tecniche da vuoto [35] e di recente, con tecniche di processo in
fase liquida, anche se non su subtrato di Silicio [36]. L’ISCOM ha
un’attività in essere su quest’ultima linea che ha portato a risultati
promettenti sia per quanto riguarda la realizzazione di guide d’onda
con processi di fabbricazione interamente ottici [37][38], sia per le
potenzialità di realizzazione di un dispositivo laser su Silicio [39]
mediante tecniche di fabbricazione a basso costo come la litografia per
Nanoimprinting [40] o nell’estremo ultravioletto (EUV) [39]. In
aggiunta, mediante la collaborazione con l’Università La Sapienza di
Roma sono state realizzate delle versioni avanzate dei monomeri
drogati con Erbio in grado di migliorare l’efficienza di emissione e
soprattutto di consentire una lavorazione interamente in fase liquida,
condizione abilitante per un processo a basso costo su scala industriale
[37][40].
Per quanto riguarda la funzione di fotorivelazione, l’esplosione
recente del fotovoltaico organico ha portato a miglioramenti netti in
termini di materiali attivi disponibili per l’assorbimento ottico, per lo
più nel range visibile ma in prospettiva anche per il range del vicino
infrarosso inbanda C. Al momento sono in essere diversi lavori di
caratterizzazione ed ulteriore miglioramento dei materiali organici
attivi in termini di massimizzazione della velocità di risposta, peculiarità
dei fotorivelatori rispetto alle celle fotovoltaiche che lavorano con luce
continua (f=0). Si può prevedere facilmente che l’immenso know how
generato per il fotovoltaico organico in termini di design e sintesi di
110
Figura 3. Spettro laser
preliminare di cavità laser
DFB basata su Erbio trisidrossichinolina
come
materiale
attivo
per
l’emissione a 1530 nm
(banda C) [39] e immagine
del reticolo DBR realizzato
su wafer di Silicio con unico
processo di stampa da nanoimprinting su larga area (10
2
cm ) [41]
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
nuovi materiali per l’assorbimento ottico porterà allo sviluppo in tempi
brevi di materiali in grado di competere con i loro equivalenti
inorganici.
Da questo punto di vista è stato domostrato un fotorivelatore con
una larghissima risposta spettrale (300–1450 nm), alta rivelabilità
(1012−1013 cm Hz 0.5 W–1) e un intervallo dinamico lineare (>100 dB), in
grado pertanto di competere direttamente con rivelatori in Silicio e
InGaAs [42].
Una delle principali problematiche derivanti dall’uso dei materiali
organici in elettronica è legato alla stabilità. Tuttavia, un lavoro di
sviluppo specifico in tal senso ha portato già a dimostrare la
compatibilità di alcuni prototipi come i modulatori polimerici ai
protocolli di certificazione Telcordia, ovvero previsti dall’associazione
delle industrie di telecomunicazione statunitensi, che fungono da
standard di stabilità [43][44].
Come già riportato in precedenza, ciascuna di queste tecnologie
gode di vantaggi e svantaggi legatti alle proprie cararteristiche specifici.
Pertanto, nell’ottica di convogliare gli sforzi verso obiettivi comuni,
l’approccio che domina il periodo corrente è l’integrazione tra le
diverse tecnologie integrate, in modo tale da ampliare la gamma di
applicazioni possibili e migliorare le prestazioni ottenibili. Come
accennato, ci sono diverse alternative proposte per l’integrazione dei
dispositivi attivi in InP su Silicon Photoncs, sebbene il ricorso al bonding
tende comunque ad innalzare i costi di fabbricazione se pensati su
processo in linea [45]. Di recente, ad inizio 2015, alcuni dei partner di
jEPPIX insieme a Lionix hanno annunciato l’integrabilità della tecnologia
InP su Triplex [46], in grado qundi di combinare le funzioni attive
dell’InP con le eccellenti proprietà guidanti per applicazioni nel visibile
e nel vicino infrarosso del Triplex.
3. Piattaforme Tecnologiche e Generic Foundry Model
Come citato in precedenza, una linea di processo per la
fabbricazione di chip ha costi proibitivi, sia per chip elettronici che per
PIC. Si consideri ad esempio che la realizzazione di una singola
maschera litografica ad elevata densità ha costi nell’ordine dei $
100.000 e che per un intero processo possono occorrere fino a 40
maschere.
Tuttavia, come detto, l’industria microelettronica può ripartire
questi costi su un elevato volume di produzione legato alle enormi
richieste di mercato, con quantiaà di lavorazione di circa 1.000-10.000
wafer per settimana su una singola linea [4]. Nel caso dei PIC, non
esiste ancora un mercato caratterizzato da simili volumi di richiesta. In
realtà per la quasi totalità delle applicazioni non esiste ancora un
mercato, per cui gli elevati costi di sviluppo tendono a limitare il
numero di attori del settore a pochi soggetti con disponibilità
111
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
finanziarie adeguate. In aggiunta, la forte etereogeneità di materiali e
quindi di processi tecnologici per la realizzazione delle singole funzioni
ottiche tende ad innalzare ulteriormente i costi di sviluppo [19].
Tuttavia, proprio per far fronte a queste barriere, si è affermato un
nuovo modello basato sulla condivisione delle onerose infrastrutture
tecnologiche con la realizzazione di piattaforme tipicamente a iniziale
sovvenzione pubblica. Il concetto di riferimento è quello di Multi
Project Wafer (MPW), mutuato dall microelettronica, ovvero un wafer
al cui interno sono raccolti i design di dispositivi provenienti da diversi
clienti o partner fino saturarne l’intera area, consentendo di ripartire i
costi di realizzazione tra più progetti e creando quindi un business
sostenibile sia per il realizzatore che per il cliente [47].
Questo modello di sviluppo consente la nascita di un indotto
legato a singole competenze della catena del valore, come la
progettazione, il testing, l’integrazione, lo sviluppo di proprietà
intellettuali, incrementando la nascita di aziende anche di piccole
dimensioni ma dall’alto contenuto tecnologico [8]. Inoltre un sistema di
questo tipo favorisce la nascita delle fabless companies, ovvero delle
aziende senza impianto di fabbricazione proprietario (fab), che possono
sviluppare componenti per specifiche applicazioni, denominati ASPIC
(Application Specific PIC), demandando la realizzazione alla specifica
piattaforma tecnologica.
Tramite lo strumento dei programmi quadro FP6 ed FP7, l’Europa
ha investito pesantemente nel supporto alla nascita delle piattaforme
europee, in particolare tramite la Network of Excellence ePIXnet
(European Photonic Integrated Components and CircuitS Network) del
programma FP6. La vision di sviluppo del modello di Fonderia Generica
(Generic Foundry Model) applicato alla fotonica integrata è stato
introdotto proprio in ePIXnet [48].
Dalla rete di ePIXnet sono nati dei consorzi tecnologici a
partecipazione pubblica e privata, come ePIXfab, che è la piattaforma
di riferimento per la tecnologia SOI legata dal punto di vista dei
processi ai centri IMEC (belgio) e CEA-LETI (Francia), e jEPPIX (Joint
European Platform on Photonic Integrated CrcuitS), basata sulla
tecnologia in Fosfuro di Indio e legata per la maggior parte della
partnership al polo tecnologico di Eindhoven (Paesi Bassi). In aggiunta,
sempre originata da ePIXnet, si è affermata la tecnologia Del consorzio
Triplex basata su Nitruro di Silicio, attualmente sviluppata dall’azienda
olandese Lionix.
Ultimo “prodotto” di ePIXnet è la piattaforma ePIXpack per lo
sviluppo di tecnologie di packaging specifiche per i chip fotonici.
Attualmente il costo del packaging, che diversamente dai chip
elettronici è legato alle problematiche di accoppiamento della luce in
fibra, tende a superare di un ordine di grandezza il rimanente costo del
chip, con una percentuale sul costo totale stimato al 94% (fonte: FP7
Fabulous project).
112
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
In ambito extra-Europeo è degna di nota la piattaforma a matrice
statunitense OpSis, giunta a conclusione a inizio 2015, legata
all’Università di Delaware e costituita da una rete di collaborazione che
ha visto partecipi anche le aziende leader della Silicon Photonics della
Silcon Valley come Luxtera e Kotura (ora all’interno di Mellanox), le
quali dispongono ognuna di linee di fabbricazione dedicate su SOI con
risoluzione rispettivamente di 200 nm e 150 nm [47], l’agenzia
tecnologica di Singapore ASTAR, Hewlett-Packard e BAE Systems.
La funzione di supporto pubblico che in Europa è assolta dai
programmi quadro, con impegni rinnovati anche all’interno dell’attuale
programma Horizon2020 per lo sviluppo di applicazioni di fotonica
integrata in ambito ICT e datacom, negli USA è svolta da DARPA
(Defense Advanced Research Projects Acency), che ha lanciato diversi
programmi di finanziamento come UNIC, mirati principalmente ad
applicazioni in ambito HPC (High Performance Computing).
In Italia si annota la recente inaugurazione del centro InPhoTec
(Integrated Photonic Techology center) all’interno del polo di ricerca
CNR-Scuola Sup. Sant’Anna di Pisa, interamente dedicato alla
realizzazione di dispositivi fotonici integrati, includendo l’attività di
packaging che attualmente rappresenta uno dei principali colli di
bottiglia per lo sviluppo commerciale dei PIC.
Conclusioni
Come detto, per garantire l’esplosione commerciale della fotonica
integrata, nonostante gli indiscussi vantaggi e potenzialità, dipende
dalle dimensioni del mercato di riferimento.
Attualmente c’è un forte impegno nello sviluppo di
interconnessioni ottiche, in particolare dedicate ad applicazioni in data
centers e per i microprocessori, e nel campo della sensoristica in fibra,
tutti settori caratterizzati da enormi potenziali volumi di richiesta che
faciliterebbero lo sviluppo commerciale e prima ancora lo sviluppo
tecnologico.
113
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
Bibliografia.
[1] M. Ashgari, A. V. Krishnamoorty, Energy-efficient communication,
Nature, 5, p. 268-270, 2011
[2] Y. Arakawa et al., Silicon Photonics for Next Generation System
Integration Platform, IEEE Communications Magazine (2013)
[3] B. Jalali et al., Silicon photonics, J. Lightwave Technol. 24(12), p.
4600-4615, 2006
[4] T.W. Baehr-Jones, Myths and rumours of silicon photonics, Nature
Photonics, 6, p. 206-208 (2012)
[5] O. Boyraz et al., Demonstration of a silicon Raman laser, Opt. Exp.,
12 (21), p. 5269-5273 (2004)
[6] H. Rong et al., A continuous-wave Raman silicon laser, Nature 433,
p. 725-728 (2005)
[7] Liao S, Feng N, Feng D, Dong P, Shafiiha R, Kung C, Liang H, Qian W,
Liu Y, Fong J, Cunningham J, Luo Y, Asghari M. 36 GHz submicron silicon
waveguide germanium photodetector. Optics Express,19, p. 10967–
10972 (2011)
[8] M. Hochberg et al., Towards fabless silicon photonics, Nature
Photonics, 4, p. 492-494 (2010)
[9] B Aspar et al., The generic nature of the Smart-Cut® process for thin
film transfer, Journal of Electronic Materials, Vol. 30, No. 7, 2001
[10] F. Priolo et al., Silicon nanostructures for photonics and
photovoltaics, Nature Nanotechnologies, 9, p.19-32 (2014)
[11] Na Net al., Efficient broadband silicon-on-insulator grating coupler
with low backreflection. Opt. Lett. 36, p2101–3 (2011)
[14] Wang X et al, Narrow-band waveguide Bragg gratings on SOI
wafers with CMOS-compatible fabrication process. Opt. Exp. 20,
p.15547–58 (2012)
[15] Fu X, Dai D., Ultra-small Si-nanowire-based 400 GHz-spacing 15 X
15 arrayed-waveguide grating router with microbends, Electron Lett.
47, p. 266–8 (2011)
[16] Vivien L. et al., Zero-bias 40 Gbit/s germanium waveguide
photodetector on silicon. Opt Exp., 20, p. 1096–101 (2012)
[17] Liao S. et al., 36 GHz submicron silicon waveguide germanium
photodetector, Opt. Exp. 19 p. 10967–72 (2011)
[18] M. Smit et al., An introduction to InP-based generic integration
technology, Semiconductor Science and Technology, 29, p. 1-41 (2014)
[19] G. Gilardi et al., Generic InP-Based Integration Technology: Present
and Prospects, Progress In Electromagnetics Research, 147, p. 23–35
(2014)
[20] COrzine S W, Large-scale InP transmitter PICs for PM-DQPSK fibre
transmission systems, Photon. Technology Letters, 22, p. 1015-1017
(2010)
114
La Comunicazione N.R.& N.
Tecnologie di fotonica integrata: dispositivi e applicazioni
Integrated photonic technologies: devices and applications
[21] Stabile R et al., Monolithic active-passive 16x16 optoelectronic
switch, Optics Letters, 37, p. 4666-4668
[22] D. Liang et al., Hybrid Integrated Platforms for Silicon Photonics,
Materials, 3, p. 1789-1802 (2010)
[23] Roelkens et al., Adhesive bonding of InP/InGaAsP Dies to
Processed Silicon-On-Insulator wafer using DVS-bis-Benzocyclobutene,
J. Electrochem Soc., 153, G1015-G1019 (2006)
[25] J. F. Bauters et al., Planar waveguides with less than 0.1 dB/m
propagation loss fabricated with wafer bonding, Optics Express, vol. 19,
no. 24, pp. 24090– 24101, Nov. 2011.
[Zhuang] L. Zhuang et al.,, Low-loss, high-index-contrast Si3N4/SiO2
optical waveguides for optical delay lines in microwave photonics signal
processing, Optics Express, vol. 19, no. 23, pp. 23162–23170, Nov. 2011
[24] K. Wörhoff et al., TriPleX: a versatile dielectric photonic platform,
Advanced Optical Technologies, 4 (2), p. 189–207 (2015)
[26] Leinse A. et al., TriPleXTM platform technology for photonic
integration: applications from UV through NIR to IR, IEEE 2011
[27] J. Leuthold et al., Silicon Organic Hybrid Technology - A Platform
for Practical Nonlinear Optics, Proceedings of the IEEE, 97 (7), p. 13041316 (2009)
[Baehr Jones] T.W. Baehr Jones et al., Polymer Silicon Hybrid Systems:
A Platform for Practical Nonlinear Optics, J. Phys. Chem. C, 112, 8085–
8090 (2008)
[29] F. Qiu et al., A hybrid electro-optic polymer and TiO2 double-slot
waveguide modulator, Scientific Reports, 5, 8561 (2014)
[30] Y. Enami et al., Hybrid polymer/sol–gel waveguide modulations
with exceptionally large electro–optic coefficients, Nature Photonics, 1,
p. 180-185 (2007)
[31] V. Almeida et al., Guiding and confining light in void nanostructure,
Optics Letters, 29(11), p. 1209-1211 (2004)
[32] T. Baehr-Jones et al., Nonlinear polymer-clad silicon slot
waveguide modulator with a half wave voltage of 0.25 V, Appl. Phys.
Lett., 92 1633031-3 (2008)
[33] 40 GBd 16QAM Signaling at 160 Gbit/s in a Silicon-Organic Hybrid
(SOH) Modulator, Journal of Light. Tech., 2015
[34] Silicon/electro-optic polymer hybrid directional coupler switch,
Proc. SPIE 8991, Optical Interconnects XIV, 89910Q (2014)
[35] W.P. Gillin et al., Erbium (III) tris (8-hydroxyquinoline)(ErQ): A
potential material for silicon compatible 1.5 m emitters, Applied Phys.
Lett., 74 (6), p. 798-799 (1999)
[36] P. Martìn-Ramos et al., Active layer solution-processed NIR-OLEDs
based on ternary erbium(III) complexes with 1,1,1-trifluoro-2,4pentanedione and different N,N-donors, Dalton Trans., 43, p. 1808718096 (2014)
115
S.Penna, S.Di Bartolo,V.Attanasio, A.Otomo, L. Mattiello
[37] S. Penna et al., Applications and low cost processing of Erbium
Quinolinolates for active integrated photonic devices, Proc. IEEE Int.
Conf. Transaprent Optical Networks (2014)
[38] S. Penna et al., Opportunities for low Cost Processing of Erbium 8Quinolinolates for Active Integrated Photonic Applications, Journal of
Nanoscience and Nanotechnology (2015) in fase di stampa
[39] S. Prezioso et al., Infrared photoluminescence of erbium-tris (8hydroxyquinoline) in a distributed feedback cavity, Journal of
Luminescence, 131 (4), p. 682-685 (2011)
[40] S. Penna et al., Towards the implementation of an organic
inorganic laser for next generation optical applications, Proc. Of
Conference on Laser and Electro-Optics (2010)
[41] S. Penna et.al., Near-Infrared luminescent properties of
halogenated tetrakis erbium quinolinolates for photonic applications ,
in preparazione
[42] Gong, X. et al., High-detectivity polymer photodetectors with
spectral response from 300 nm to 1450 nm. Science 325, 1665–1667
(2009)
[43] M. Lauermann et al., 64 GBd Operation of a Silicon-Organic Hybrid
Modulator at Elevated Temperature, Optical Fiber Communication
Conference 2015, Tu2A.5 (2015)
[44] R. Dinu et al., Environmental stress testing of electro–optic
polymer modulators, Journal of Lightwave Technology Vol. 27, Issue 11,
pp. 1527-1532 (2009)
[45] J.T Robinson et al., First-principle derivation of gain in high-index
contrast waveguides, Optics Express, 16 (21), p. 16659-16669 (2008)
[46] http://www.vlcphotonics.com/2015/02/02/new-photonicintegration-platform-available-combining-inp-and-triplex-tmtechnologies/
[47] A. Eu-Jin Li et al., Review of Silicon Photonics Foundry Efforts, IEEE
J. Sel. Top. Quantum Electr., 4 (20), 2014
[48]
http://www.epixnet.org/uploads/media/visionphotonicsfoundryvs16.
doc
116
La Comunicazione N.R.& N.
