Fraunhofer IZM riesce ad automatizzare la misurazione delle guide d’onda ottiche in vetro

12 dicembre 2023

L’uso del vetro come substrato nella produzione elettronica consente la trasmissione aggiuntiva di segnali ottici attraverso il materiale del substrato. Ciò consente velocità di trasmissione dei dati molto più elevate, il che è vitale per molti scenari come le applicazioni automobilistiche, di telecomunicazione o di intelligenza artificiale. I ricercatori del Fraunhofer IZM sono ora riusciti a sviluppare un sistema in grado di misurare automaticamente le perdite di propagazione nelle guide d’onda ottiche integrate, tutte parte del progetto di ricerca “Integrated Electro-Photonic Panel Systems” (EPho).

La rapida crescita del volume di dati nel nostro mondo sempre più digitalizzato richiede nuove soluzioni per l’elaborazione e il trasferimento efficienti dei dati. Ciò significa chip con ancora più transistor, minuscoli componenti elettrici responsabili dei calcoli. Ciò è particolarmente rilevante per computer e data center ad alte prestazioni, dove devono essere elaborate grandi quantità di dati. Ma la miniaturizzazione dei transistor e dei loro collegamenti elettrici sta raggiungendo i limiti di ciò che è tecnicamente possibile. Le strutture più piccole dei chip moderni sono già costituite da pochi atomi di silicio. Questo tipo di precisione richiede conformità ed esattezza rigorose durante la produzione, portando a rese di produzione inferiori a costi significativamente più elevati.

Per aumentare in modo economico il numero di transistor su un chip e mantenere viva la Legge di Moore, gli sforzi crescenti si sono concentrati sulla distribuzione dei transistor sui cosiddetti “chiplet” invece di collocarli tutti su un chip. Questo cambiamento di paradigma era atteso da tempo nel settore*¹. Tuttavia, i chiplet possono diventare un’opzione fattibile solo con interconnessioni efficaci tra chiplet.

La scelta del substrato sta diventando sempre più critica: le connessioni tra i chiplet devono adattarsi a spazi sempre più piccoli. Con l’attuale obiettivo di 3μm (linea/spazio), i substrati organici stanno raggiungendo il limite di ciò che può essere lavorato in modo affidabile. I leader del settore come Intel stanno ora cercando il vetro come substrato alternativo. Fraunhofer IZM esplora da tempo i collegamenti elettrici sul vetro, poiché il vetro consente anche l’integrazione di guide d’onda ottiche. Ciò significa che i circuiti elettro-ottici possono trasmettere non solo segnali elettrici, ma anche ottici e, di conseguenza, aumentare notevolmente la velocità di trasmissione dei dati.

Fraunhofer IZM ha sviluppato un processo di scambio ionico utilizzando apparecchiature commerciali per produrre guide d’onda monomodali e multimodali a bassa attenuazione su pannelli di vetro sottile di grande formato (>450 mm x 300 mm) (<550 μm). Poiché un singolo pannello può avere molte centinaia di guide d'onda, ispezionare e caratterizzare tali pannelli è un compito impegnativo e dispendioso in termini di tempo, anche perché, a differenza dei circuiti elettrici, le guide d'onda ottiche possono incrociarsi e formare layout estremamente complessi su un singolo pannello. Per facilitare le complesse catene di processi necessarie per produrre tali pannelli, è stata sviluppata una piattaforma per determinare automaticamente la perdita di propagazione delle guide d'onda integrate. Può ospitare anche guide d'onda create da laser a femtosecondi o guide d'onda in altri materiali di substrato. La procedura rimane in ogni caso la stessa:

1. Un campione viene caricato nel sistema.

2. Il layout viene caricato, l’utente seleziona le guide d’onda da misurare e la misurazione inizia.

3. La piattaforma rileva automaticamente i bordi del substrato, eventuali segni esistenti, nonché l’esatta posizione della fibra di misurazione prima di effettuare una misurazione di riferimento. Quindi utilizza queste informazioni per calcolare le perdite di inserzione di tutte le guide d’onda misurate automaticamente.

Il sistema qui sviluppato offre ai produttori il controllo completo sul processo di produzione delle guide d’onda ottiche. Inoltre, è possibile analizzare molte migliaia di set di parametri per contribuire a definire nuovi parametri per migliorare i processi di produzione delle guide d’onda ottiche. Il sistema può accelerare sostanzialmente gli sviluppi del progresso, soprattutto per le tecnologie che devono fare i conti con molti parametri variabili, come nel caso delle guide d’onda tagliate al laser.

Il progetto EPho (16ES0806) è stato portato a termine con successo nel 2022, sostenuto da un finanziamento di 1,33 milioni di euro da parte del Ministero federale dell’Istruzione e della Ricerca (BMBF) per un importo di 1,33 milioni di euro. Altri partner del progetto includevano ILFA GmbH, Schröder Spezialglas GmbH e FiconTEC Service GmbH.

*¹ Leggi l’intervista RealIZM con il Dr Michael Töpper del 5 settembre 2019: https://blog.izm.fraunhofer.de/..