De wet van Moore voor fotonica

Transcriptie

1 De wet van Moore voor fotonica Citation for published version (APA): Smit, M. K. (2015). De wet van Moore voor fotonica. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, 81(4), Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/2015 Document Version: Het geaccepteerde manuscript inclusief aanpassingen uit het peer-review proces Please check the document version of this publication: A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website. The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review. The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers. Link to publication General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal. If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the Taverne license above, please follow below link for the End User Agreement: Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl providing details and we will investigate your claim. Download date: 07. Jul. 2019

2 De wet van Moore voor fotonica 78 De twintigste eeuw wordt wel de eeuw van de elektronica genoemd. De 21 e zou wel eens de eeuw van de fotonica kunnen worden. De eeuw van het licht zogezegd, maar dan wel licht gebruikt voor technische toepassingen, zoals beeldschermen, zonnecellen, ledverlichting, optische communicatie, 3D-printers, medische diagnostiek, metrologie en sensoren. De markt voor fotonische technologie is momenteel ongeveer een vijfde van de wereldmarkt voor elektronica, maar groeit sneller en Europa heeft een sterke positie in deze markt. Elektronica en fotonica vind je vrijwel overal, maar de elektronica is momenteel verder ontwikkeld en relatief goedkoper, vooral door de opkomst van de micro en nano-elektronische integratietechnologie. In de fotonica staat de integratietechnologie nog in de kinderschoenen, maar ze ontwikkelt zich snel. Meint Smit Fotonische integratie Geïntegreerde optische chips zijn de optische tegenhangers van microelektronische geïntegreerde schakelingen. Elektronische apparatuur bestond vroeger uit een doos of een kast vol met elektronische componenten zoals radiobuizen, weerstanden, condensatoren en spoelen. Na de uitvinding van de transistor werd elektronica wat compacter en kon je niet al te grote schakelingen op één enkele David van Woerkom is een promovendus aan de TU Delft en onderdeel van QuTech. David is voorheen student geweest aan de TH Rijswijk en heeft daar de bachelor technische natuurkunde gehaald in In 2012 heeft David een master toegepaste natuurkunde gedaan aan de TU Delft en hij studeerde af bij Leo Kouwenhoven, die hem een promotieplek aanbood. d.j.vanwoerkom@tudelft.nl printplaat integreren. Maar de echte doorbraak kwam in de jaren zestig en zeventig, toen steeds meer elektronica kon worden geïntegreerd in een stukje silicium met afmetingen van een paar millimeters. In de fotonica bevinden we ons in eenzelfde situatie als in de beginjaren van de micro-elektronica. De meeste optische systemen bestaan nog uit afzonderlijke componenten, zoals lasers, modulatoren, detectoren en filters, die met lensjes, glas- of plastic vezels aan elkaar gekoppeld worden. Maar de technologie om tientallen tot honderden optische componenten te integreren in een klein stukje halfgeleidermateriaal, een optische chip, heeft in de afgelopen twintig jaar grote vorderingen gemaakt. In zo n optische chip worden de componenten met elkaar verbonden door minuscule optische kanaaltjes optische golfgeleiders. Optische chips kun je maken in een aantal verschillende materialen, de belangrijkste zijn indiumfosfide (InP) en silicium. Momenteel wordt er veel onderzoek gedaan aan optische chips in silicium, het basismateriaal voor elektronische chips, waarin je ook flink wat optische componenten kunt maken: golfgeleiders, modulatoren, detectoren, schakelaars en tal van passieve componenten, zoals koppelaars en golflengtefilters. Alleen lasers en optische versterkers, de belangrijkste componenten in veel optische chips, kun je (nog) niet maken in silicium, omdat het daarvoor niet de goede materiaaleigenschappen heeft. Dat kan wel in indiumfosfide, een halfgeleidermateriaal dat veel op silicium lijkt, maar qua optische en elektrische eigenschappen superieur is. Net als elektronische chips kunnen optische chips worden gebruikt voor zeer uiteenlopende toepassingen, figuur 1 laat een paar voorbeelden zien van optische chips die gemaakt zijn in InP. Figuur 1a laat zien hoe klein de chips zijn: typisch enkele millimeter tot maximaal een centimeter. De chip op de vinger meet 6 x 6 mm. De getoonde chips zijn ontworpen voor toepassing in datacommunicatie (1b), Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2015

3 gasdetectie (1c), tweefotonmicroscopie (1d) en spectrometrie (1e). Meer informatie over deze chips is te vinden in het onderschrift van de figuur. a) d) De wet van Moore De complexiteit van optische chips het aantal componenten dat op één enkele chip geïntegreerd wordt is sinds 1990 sterk toegenomen, gestimuleerd door de opkomst van de technologie om tientallen signalen met verschillende golflengten (en daarmee terabits aan informatie) door één glasvezel te sturen. Deze technologie vormt de ruggengraat van het moderne internet. Het Amerikaanse bedrijf Infinera presenteerde onlangs de tot nu toe meest complexe chip met zo n 1700 componenten [1], terwijl bij de Eindhovense onderzoekschool COBRA chips met een complexiteit tot 500 componenten per chip zijn ontwikkeld. De ontwikkeling van het aantal componenten per chip is weergegeven in figuur 2 (de rode punten in de grafiek corresponderen met chips gemaakt binnen COBRA) [2]. De ontwikkeling van de complexiteit is duidelijk exponentieel, vergelijkbaar met de wet van Moore in de micro-elektronica [3]. Hoewel de gestippelde lijn een continue ontwikkeling suggereert, is er wel een aantal technologische doorbraken nodig om deze ontwikkeling voort te zetten tot integratiedichtheden van meer dan een miljoen componenten per chip. In het vervolg van dit artikel bespreken we recente ontwikkelingen in het complexiteitsbereik van een tot duizend componenten en toekomstige ontwikkelingen naar een nog hogere integratiegraad aan de hand van recent onderzoek bij COBRA. b) e) c) Figuur 1 Microscoopfoto s van een aantal optische chips voor uiteenlopende toepassingen. De chip op de vinger meet 6 x 6 mm. De chip in figuur 1b kan acht 25 Gb/s signalen met verschillende golflengten schakelen van elk van acht verschillende ingangen naar acht verschillende uitgangen. In deze chip zijn bijna tweehonderd componenten geïntegreerd. Zulke chips gaan een belangrijke rol spelen in verkeersknooppunten voor datacommunicatie. Figuur 1c laat een laser zien waarvan de golflengte over meer dan 70 nm verstemd kan worden. De laser is ontwikkeld voor gasdetectie. Figuur 1d laat een chip zien waarop twintig fasedraaiers en twintig optische versterkers zijn geïntegreerd met een golflengtedemultiplexer. De chip is ontwikkeld om optische pulsen voor tweefotonmicroscopie te comprimeren in enkele honderden femtoseconden. Het laatste voorbeeld (figuur 1e) toont een honderdkanaals spectrometerchip. Chips b en c zijn gemaakt door COBRA, chip d door Oclaro en chip e door het Fraunhofer Heinrich Hertz Institut. Generieke integratietechnologie Het ontwikkelen van de fabricagetechnologie voor complexe optische chips, zoals geïllustreerd in figuur 1, is peperduur. De kosten van een goed geoutilleerde chipfabriek bedragen enkele honderden miljoenen euro s en dan heb je alleen nog maar de apparatuur en het gebouw. Ook het ontwikkelen van de integratieprocessen, die een groot aantal lithografie-, depositieen etsstappen bevatten, kost vele miljoenen. Er zijn maar weinig markten groot genoeg om zulke grote investeringen te rechtvaardigen. In de microelektronica is dit probleem opgelost Figuur 2 Grafische weergave van het aantal optische componenten per chip tegen de tijd. Het lineaire verband geeft een exponentiële groei van het aantal componenten in de tijd soortgelijk aan de wet van Moore in de micro-elektronica. door de ontwikkeling van gestandaardiseerde technologie waarin je een aantal bouwstenen, zoals transistors, weerstanden en condensatoren, in grote aantallen miljarden transistoren per chip kunt integreren binnen één enkel fabricageproces. Daardoor kunnen de hoge investeringskosten worden terugverdiend over een markt die veel groter is dan de markten voor de afzonderlijke toepassingen. Om de hoge kosten voor het toepassen van optische chips fors terug te brengen is in de fotonica een soortgelijke ontwikkeling aan de gang. Als je een technologie hebt waarmee je componenten voor het manipuleren van de amplitude, de fase en de polari- april 2015 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde 79

4 80 satie van licht kunt integreren als basisbouwstenen, kun je chips met verschillende functionaliteiten realiseren in één enkel integratieproces. We noemen zo n technologie een generieke integratietechnologie. De analogie met de micro-elektronica is geïllustreerd in figuur 3 (linksboven) waarbij componenten voor het manipuleren van de amplitude, de fase en de polarisatie van het licht corresponderen met transistors, weerstanden en capaciteiten. De Eindhovense onderzoeksschool COBRA is al rond 2000 begonnen met het ontwikkelen van zo n gestandaardiseerde technologie waarin optische versterkers, fasedraaiers en polarisatieomzetters worden gebruikt als Het foundry-model basisbouwstenen. De schematische doorsnede in figuur 3 (rechtsboven) laat zien hoe de verschillende bouwstenen in hetzelfde lagenpakket worden gerealiseerd, de witte spots geven aan waar de lichtbundel zich bevindt in de verschillende bouwstenen. De lagen worden met behulp van een kristalgroeireactor vanuit de gasfase op een kristallijn InP-substraat gegroeid. Het licht plant zich voort door een laag met een dikte van 0,5 μm. Onder in de figuur zijn elektronenmicroscoopfoto s te zien van de verschillende bouwstenen. Technologieplatform In 2007 is er binnen een netwerk In de fotonica is een foundry een fabriek waarin op bestelling optische chips kunnen worden gemaakt in gestandaardiseerde fabricageprocessen. De gebruiker krijgt van de foundry een zogenaamde process design kit (PDK) waarin de eigenschappen van de bouwstenen in dat proces beschreven zijn en met behulp van die beschrijvingen kan de gebruiker een chip ontwerpen die opgebouwd is uit de beschikbare bouwstenen. Als de beschrijvingen van de eigenschappen van de bouwstenen in de PDK nauwkeurig zijn, kan de ontwikkeltijd voor geavanceerde optische chips met een factor tien of meer worden teruggebracht, omdat het niet nodig is om veel tijd en geld te investeren in het ontwikkelen van de procestechnologie. Die is immers al ontwikkeld door de foundry en de kosten daarvan worden gedeeld door een groot aantal gebruikers. waarin meer dan zestig Europese onderzoeksgroepen op het gebied van optische integratie samenwerken, een aantal technologieplatforms opgericht om toegang te geven tot generieke integratieprocessen. Het epixfabtechnologieplatform, ontwikkeld door het instituut voor micro-elektronica (Imec), geeft toegang tot een fabricageproces voor het integreren van passieve optische circuits in silicium en meer recent ook modulatoren en detectors. Het JePPIX-technologieplatform, dat wordt gecoördineerd door COBRA, geeft toegang tot een drietal industriële InP-fabricageprocessen, waarin naast passieve componenten ook actieve componenten, zoals lasers, optische versterkers en modulatoren gemaakt kunnen worden. Een van die processen wordt aangeboden door een Nederlands bedrijf, SMART Photonics. In 2009 werd daar nog een derde platform aan toegevoegd voor op siliciumoxide en -nitride gebaseerde diëlektrische golfgeleiders met zeer lage verliezen (het TriPleX-proces van het Nederlandse bedrijf LioniX). In het JePPIX-consortium werkt een aantal industriële en academische partners samen, waaronder drie chipmakers, drie softwarebedrijven en een aantal universiteiten. In 2010 en 2011 startte het JePPIX-consortium twee grote Europese onderzoeksprojecten Elektronische integratie transistor weerstand condensator Fotonische integratie A optische versterker ϕ fasemodulator P polarisatieomzetter elektrische verbinding golfgeleider Figuur 3 Linksboven: de basiscomponenten voor elektronische en fotonische integratie. Rechtsboven: schematische doorsnee van de basiscomponenten in een generiek integratieproces. Onder: elektronenmicroscoopfoto s van de basiscomponenten in het COBRAproces. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde april 2015

5 met als doel om het foundry-model (zie kader Het foundry-model) vanuit de universitaire omgeving (COBRA) over te zetten naar een industriële omgeving en om de prestaties en de functionaliteit van de InP-platformtechnologie verder te verbeteren. Sinds 2014 biedt JePPIX semi-commerciële toegang tot een aantal foundry-processen, waarbij ontwerpen van verschillende gebruikers worden gecombineerd op één enkele wafer, een zogenaamde multi-project wafer. Hiermee kunnen de kosten van een wafer door meerdere gebruikers worden gedeeld, wat tot een aanzienlijk kostenbesparing in de R&D-fase leidt. Op deze manier komt de ontwikkeling van geavanceerde optische chips binnen bereik voor kleine hightechbedrijven en universiteiten. Dit is een essentiële stap voor toekomstige integratietoename van optische componenten, kostenverlaging en toegang tot de markt. Met de JePPIX-foundryservice heeft Europa een flinke voorsprong genomen op de rest van de wereld. Integratie van fotonica en elektronica Nu de kosten voor het ontwikkelen van geavanceerde optische chips drastisch zijn afgenomen, spelen de kosten van packaging (we wagen ons niet aan een Nederlandse vertaling) een steeds belangrijker rol. In veel gevallen zijn ze al aanzienlijk hoger dan de kosten van de chip zelf. Packaging is een verzamelnaam voor het maken van optische en elektrische verbindingen met een chip, het optisch, elektrisch en thermisch isoleren van de chips en het robuust verpakken van de optische en elektronische chips in een enkele behuizing. Integratie van de optische én elektronische functionaliteit in één enkele chip is een droom van veel chipgebruikers die de kosten van packaging drastisch terug kan brengen. Het integreren van complete fotonische en elektronische circuits in één enkele chip ligt voor veel onderzoekers nog achter de horizon, maar COBRA heeft de eerste stappen op deze weg gezet. Figuur 4 geeft een schematisch beeld van hoe zo n gecombineerde fotonisch-elektronische ( fotronische ) chip eruit zou kunnen zien. De optische golfgeleiderlaag wordt gerealiseerd in een dun InPmembraan dat met behulp van wafer bonding (een proces waarmee twee wafers op elkaar geplakt worden) aangebracht wordt boven op een silicium wafer waar de elektronica al in gerealiseerd is. We noemen deze technologie IMOS (InP Membrane On Silicon). Een bijkomend voordeel van het realiseren van de optische circuits in een dun membraan is dat de componenten niet alleen dunner, maar ook kleiner worden. Hierdoor kunnen meer componenten op een chip worden geïntegreerd. Nanolasers Optische communicatie is het eerst geïntroduceerd op lange-afstandsverbindingen, maar met de toename van de bitrate wordt het op steeds kortere afstanden economisch interessanter om koper door glas te vervangen, bijvoorbeeld voor datatransport tussen apparatuurrekken in datacenters en in toenemende mate zelfs op printkaarten tussen chips. Uiteindelijk zullen ook de verbindingen tussen processors in één enkele chip optisch worden. Voor die verbindingen zijn lage kosten en een laag energieverbruik van cruciaal belang en beide zijn mogelijk door optische integratie van de zenders en ontvangers. Er is daarom veel aandacht voor de ontwikkeling van kleine en snelle lasers die grote hoeveelheden data kunnen transporteren met weinig energie. Figuur 5 toont een nanolaser waaraan binnen COBRA wordt gewerkt. Het is een pilaartje met een diameter van circa 400 nm met in het midden een actief gebied waarin gestimuleerde emissie optreedt als er stroom in het pilaartje wordt geïnjecteerd. Het pilaartje wordt bekleed met een zilvercoating (zie inzet), die de optische trilholte vormt voor de laser. Een deel van het laserlicht wordt onderlangs uitgekoppeld naar de nanogolfgeleider (photonic wire) waarop de laser staat en die kan het licht verder geleiden naar andere plaatsen op de chip. Van dergelijke lasers kunnen we er in de toekomst vele duizenden integreren op één enkele chip. Een toekomstideaal is dat ze gebruikt worden voor optisch datatransport tussen grote aantallen elektronische processoren op één geïntegreerde fotronische chip. Maar voor het zover is zal er nog heel wat water door de Rijn gaan. Referenties 1 J. Summers et al., 40 Channels x 57 Gb/s Monolithically Integrated InP-Based Coherent Photonic Transmitter, Proc. ECOC 2014, Cannes, Frankrijk, september 2014, DOI: /ECOC M. Smit et al., An introduction to InP-based generic integration technology, Semicond. Sci. Technol. 29 (2014) G.E. Moore, Cramming more components onto integrated circuits, Electronics 38-8 (19 april, 1965). 81 Figuur 4 Schematisch beeld van een fotronische chip: een chip waarin het fotonische circuit bovenop het elektronische circuit is gefabriceerd. Figuur 5 Een nanolaser boven op een nanogolfgeleider, waarmee het licht van de laser naar een andere plaats op de chip kan worden geleid om daar te worden gedetecteerd. april 2015 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde