Silicium-fotonica: een toegankelijke technologie voor telecom- en sensortoepassingen

Si-fotonica en CMOS-infrastructuur: een goed huwelijk 

Met Si-fotonica, of, meer algemeen, geïntegreerde optica worden optische componenten (zoals lenzen of lichtdetectoren) niet op een klassieke manier samengebracht, maar geïntegreerd op een chip. Twee belangrijke drijfveren lagen aan de basis van deze technologieontwikkeling. Ten eerste kunnen optische systemen door deze integratie immens veel kleiner gemaakt worden. Ten tweede laat deze technologieontwikkeling toe om meer functionaliteit en performantie aan te bieden tegen een veel lagere kostprijs, waardoor optische systemen tot op productniveau kunnen worden gebracht. 

De geschiedenis van geïntegreerde optica gaat terug tot in de jaren ‘60, maar is lang een academisch onderzoeksveld gebleven. Roel Baets legt uit: “Ik zie twee redenen voor deze trage evolutie. Ten eerste was het onderzoeksdomein van geïntegreerde optica veel kleiner dan dat van bijvoorbeeld microelektronica, wat de lagere investeringen verklaart. Ten tweede werden er heel veel verschillende technologieplatformen onderzocht, en die diversiteit vertraagde de overstap naar een industrieel veld.” 

Maar daar kwam zo’n 20 jaar geleden verandering in, toen het idee ontstond om de Si-gebaseerde technologieplatformen uit de microelektronica-industrie te hergebruiken. Roel Baets: “Aan de ene kant was het idee om Si te gebruiken als materiaal voor geïntegreerde fotonica erg controversieel. Si is immers niet zo geschikt om optische functies te maken.  

Maar aan de andere kant zou het hergebruik van een mature technologie en van de bestaande infrastructuur van een CMOS-fab een grote boost kunnen geven aan de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica.  

Zo begon het ook voor ons aan de Universiteit Gent. Eerst richtten we ons op passieve componenten zoals golfgeleiders, later op actieve componenten waarmee licht bijvoorbeeld kan gemoduleerd en gedetecteerd worden in Si. Omdat we geassocieerd waren met imec, konden we gebruik maken van de CMOS-infrastructuur die in imec, Leuven aanwezig was, en samenwerken met de technologiegroepen in Leuven.” 

Van telecom naar sensortoepassingen 

Si-fotonica is oorspronkelijk ontwikkeld voor glasvezeloptische tele- en datacom. Aan beide uiteinden van zo’n optische vezel bevinden zich optische zenders/ontvangers die met een zeer hoge snelheid optische signalen moduleren en omzetten in elektronische signalen, en vice versa. Er worden technologieën ontwikkeld die optische communicatie over lange afstanden mogelijk maken - met vezels die honderden kilometers overbruggen – evenals over korte afstanden, bijvoorbeeld om de verschillende serverracks binnen een datacenter met elkaar te verbinden. Voor deze toepassingen is silicium-op-isolator (SOI) het belangrijkste materiaalplatform om optische functies te implementeren. Dit materiaal maakt immers de voortplanting van licht met golflengten in het bereik van 1 tot 2µm mogelijk - dezelfde golflengten die worden gebruikt in optische glasvezels. 

Zo'n 10 jaar geleden begon men te beseffen dat dezelfde chiptechnologie een enorm potentieel kan hebben voor uiteenlopende sensortoepassingen. Een bekend voorbeeld is LiDAR, kort voor ‘light detection and ranging’, dat wordt ontwikkeld voor robotica en zelfrijdende wagens. Si-fotonica heeft ook zijn weg gevonden naar structurele ‘gezondheids’monitoring, om de mechanische integriteit van bouwkritische constructies te controleren. En tot slot heeft de technologie heel wat potentieel voor moleculaire analyse, zowel voor gasdetectie als voor medische toepassingen. 

Roel Baets:

"In de komende jaren verwacht ik dat het marktvolumepotentieel van Si-fotonica voor sensortoepassingen het potentieel van de technologie voor tele- en datacom zal overstijgen."  

"Denk aan de mogelijkheid om kleine CO- of CO2-sensoren te integreren in ieders smartphone, of om een implanteerbare glucosesensor te maken die regelmatig het bloedglucosegehalte van een diabetespatiënt kan controleren". De mogelijkheid om Si-fotonicachips te produceren op grote wafers en in grote volumes ondersteunt deze visie. 

Sensortoepassingen werken vaak met licht in het zichtbare of mid-infrarood (mid-IR) golflengtegebied. Omdat deze golflengten niet compatibel zijn met het standaard Si-fotonicaplatform, zijn er alternatieve materiaalplatformen ontwikkeld, zoals het siliciumnitride (SiNx, of SiN voor korte) golfgeleiderplatform. Net als bij silicium zijn deze nieuwe platformen zeer compatibel met de CMOS-infrastructuur. 

Een geïntegreerde lichtbron: de heilige graal van Si-fotonica. 

Door de jaren heen zijn de materiaalplatformen voor Si-fotonica geëvolueerd tot mature instrumenten. Een gemeenschappelijke uitdaging voor deze platformen is echter het ontbreken van een geïntegreerde lichtbron. De directe lichtemissie van Si of SiN is zeer inefficiënt en daarom wordt de lichtbron vandaag als een externe component aangebracht. Deze component is gemaakt van III-V-halfgeleiders zoals indiumfosfide (InP) of galliumarsenide (GaAs) - afhankelijk van het vereiste golflengtebereik. 

"Wereldwijd nemen onderzoekers een reeks technologieën onder de loep die de integratie van III-V-gebaseerde lichtbronnen op waferniveau moeten mogelijk maken", verduidelijkt Roel Baets. "Bij de Photonics Research Group van imec/UGent richten we ons sterk op het microtransferprinten van de III-V-gebaseerde componenten. Met deze techniek worden laserdiodes (uit III-V-materiaal) verwerkt op een III-V-halfgeleiderwafer, en vervolgens getransfereerd en geprint op een grotere Si-wafer (200mm of 300mm). De bijna voltooide componenten worden niet individueel, maar in grote aantallen overgebracht, waardoor een zeer schaalbare, productiewaardige oplossing ontstaat. Deze III-V-op-Si(N) evolueert nu geleidelijk aan naar een derde materiaalplatform voor Si-fotonica, naast de SOI- en SiN-gebaseerde platformen." 

Toegang tot Si-fotonicatechnologie 

Si-fotonicatechnologie is een succesverhaal geworden, grotendeels dankzij de mogelijkheid om de maturiteit van de microelektronica-technologie te hergebruiken. Roel Baets: "Toen wij begonnen met het onderzoek naar Si-fotonicatechnologie, hadden we het geluk om te kunnen terugvallen op de CMOS-infrastructuur van imec. Maar veel onderzoeksgroepen in de wereld - academisch en industrieel - hadden niet gemakkelijk toegang tot zo’n microelektronica-fab. En dit vormde een enorme uitdaging voor de Si-fotonica onderzoeksgemeenschap. Onderzoekers waren hierdoor niet in staat om hun ideeën om te zetten in realiteit. Geleidelijk aan vonden we een oplossing voor dit probleem. In 2004 konden we dankzij Europese financiering een Network of Excellence opzetten - ePIXnet genaamd - dat de belangrijkste Europese stakeholders op het gebied van geïntegreerde fotonica bijeenbracht. Twee jaar later resulteerde dit netwerk in ePIXfab, dat wereldwijd de eerste multi-project-wafer (MPW) brokerage voor Si-fotonica werd. Onderzoeksgroepen wereldwijd konden zo hun ontwerpen indienen, die vervolgens werden samengevoegd op één set van maskers. Wafers worden dan collectief verwerkt tegen gedeelde kosten, in imec (België) of LETI (Frankrijk), door gebruik te maken van hun respectievelijke Si-fotonicaplatformen." 

Onder meer voor dit innovatieve ‘foundry’-model mag Roel Baets binnenkort de prestigieuze John Tyndall Award 2020 in ontvangst nemen. Roel Baets: "In 2006 was dit model om toegang te krijgen tot Si-fotonicatechnologie uniek in zijn soort. Fotonica-onderzoeksgroepen uit heel de wereld konden er gebruik van maken. Enkele jaren later werden de activiteiten van ePIXfab overgedragen aan EUROPRACTICE, een Europees consortium dat MPW-diensten aanbiedt, oorspronkelijk voor de micro-elektronica-industrie en de academische wereld. Bij imec wordt EUROPRACTICE gecoördineerd door imec.IC-link. Vandaag de dag biedt EUROPRACTICE verschillende MPW-runs per jaar aan voor Si-fotonica onderzoek en prototyping. De processen worden uitgevoerd bij onderzoeksinstituten zoals imec en LETI. In 2020 zal EUROPRACTICE vier MPW-runs aanbieden op imecs SOI-gebaseerde platform (genaamd iSiPP50G), en twee op imecs SiN fotonica platform, genaamd BioPIX." Inmiddels is ePIXfab geëvolueerd naar de European Silicon Photonics Alliance, grotendeels met een missie van training en het promoten van Si-fotonicatechnologie. 

De geschiedenis herhaalt zich... 

De uitdaging waar de Si-fotonica onderzoeksgemeenschap oorspronkelijk voor stond, herhaalt zich nu echter voor industriële productie. Roel Baets: "Om Si-fotonica verder te brengen dan onderzoek en prototyping, moeten mature Si-fotonicaplatformen draaien in echte industriële fabs, die kunnen zorgen voor snelle turn-around-times. En dit is een belangrijke uitdaging die nu vooral de kleinere fabless bedrijven binnen de Si-fotonicagemeenschap aangaan. 

Om dit mogelijk te maken, moeten industriële fabs investeren in apparatuur en mature processen ontwikkelen, om uiteindelijk de productie van kleine en grote volumes van Si-fotonicacircuits mogelijk te maken.  

Ik verwacht dat dit in de volgende jaren zal gebeuren." De eerste stappen in die richting worden al gezet. Zo heeft imec, naast prototyping en lage-volumeproductie, een productieroute mogelijk gemaakt om de hogere volume-eisen te ondersteunen. Hiervoor werkt imec samen met een commerciële foundry-partner. Interessant is dat zelfs de MPW-runs geleidelijk aan overgaan naar industriële fabs, een trend die vergelijkbaar is met wat er in de microelektronica is gebeurd. 

Europese pilootlijnen 

Het feit dat er nu twee extra MPW-runs zijn op imecs SiN-platform, is mede mogelijk gemaakt door PIX4life. PIX4life is een Europese pilootlijn die met subsidie van de Europese Commissie in het kader van Horizon 2020 (H2020) is opgezet, en gecoördineerd wordt door de Life Science-groep van imec. Met deze pilootlijnen voor Si-fotonica worden twee doelstellingen beoogd: (1) het uitvoeren van onderzoek en (2) het verhogen van de ‘technology readiness level’ en het opzetten van de vereiste infrastructuur die de kloof tussen onderzoek en industriële productie moet overbruggen. Een belangrijke taak van de pilootlijnen is om na de initiële duur van vier jaar hun state-of-the-art technologieën en diensten te blijven aanbieden aan potentiële gebruikers, in het bijzonder aan Europese KMO's. 

Roel Baets: "PIX4life was gebaseerd op twee SiN-materiaalplatformen, elk gericht op verschillende toepassingen: het SiN BioPIX platform van imec en het SiN platform van Lionix, Nederland. PIX4life wordt aanzien als de eerste ‘open access’ pilootlijn voor fotonische geïntegreerde schakelingen in het zichtbare bereik. Het maakt veel verschillende toepassingen mogelijk op het gebied van biofotonica en life sciences, waarbij licht wordt gebruikt als detectiemechanisme of als instrument. Voorbeelden zijn veelkleurige bronnen voor spectroscopie of cytometrie, optische coherentie tomografie (OCT) en gelabelde sensoren.” 

Inmiddels zijn er ook andere Europese pilootlijnen ontstaan, waarbij imec nauw betrokken is. Deze omvatten (1) PIXAPP, gecoördineerd door het Tyndall National Institute en gericht op de assemblage en verpakking van fotonische geïntegreerde schakelingen, en (2) MedPhab, een onlangs gelanceerde pilootlijn gecoördineerd door VTT (Finland) en gericht op fotonica-technologie voor medische toepassingen. 

In de voetsporen van John Tyndall... 

Roel Baets mag binnenkort de John Tyndall Award 2020 in ontvangst nemen voor "baanbrekend onderzoek op het gebied van silicium-fotonica en om het foundry-model aan te sturen". Roel Baets: "Ik ben zeer vereerd om deze prijs te mogen ontvangen, die binnen het domein van optische vezelcommunicatie wordt aanzien als één van de meest prestigieuze prijzen. Ik wil graag afsluiten met een mooie link die ik deel met het werk van John Tyndall, een 19e-eeuwse Ierse fysicus die het principe van totale interne lichtreflectie heeft gedemonstreerd. Op basis van onder meer dit principe heeft mijn team een belangrijke basiscomponent kunnen ontwikkelen die vandaag de dag veelvuldig in fotonische geïntegreerde circuits wordt gebruikt: de roosterkoppelaar. Door deze component kunnen de fotonische circuits met de buitenwereld worden verbonden, vergelijk het met de ‘wire bonds’ in elektronische systemen. Deze cruciale ingrediënt heeft er ook voor gezorgd dat fotonische geïntegreerde circuits op het niveau van de wafer kunnen worden getest.” 

Meer weten? 

• Om meer te weten te komen over de MPW prototyping services voor Si-fotonica bij imec, raadpleeg de website van EUROPRACTICE. 
• Lees het persbericht en het artikel in imec magazine over Si-fotonica voor de volgende generatie interconnects voor datacentra. 
• Tijdens 2020 ITF Photonics geeft Roel Baets een presentatie over Si-fotonica voor medische toepassingen.  
• Roel Baets zal de 2020 John Tyndall Award in ontvangst nemen tijdens OFC 2020. Meer info over de award vind je hier.