SISTEMI OPTOELETTRONICI INTEGRATI

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1 POLITECNICO DI BARI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA ELETTRONICA ANNO ACCADEMICO 2006/2007 SISTEMI OPTOELETTRONICI INTEGRATI APPUNTI DALLE LEZIONI DEL PROF. MARIO N. ARMENISE

2 CAPITOLO I INTEGRAZIONE E SUOI PROBLEMI I.1 Introduzione L uso di sorgenti laser ed altri dispositivi optoelettronici in microsistemi optoelettronici è possibile con adeguate tecniche che consentono di integrare quei componenti con altri ottici o non ottici in una struttura optoelettronica complessa. Per fabbricare un microsistema optoelettronico si possono distinguere due approcci: assemblaggio ibrido e integrazione monolitica. Nell integrazione ibrida si assemblano componenti optoelettronici diversi, ciascuno dei quali realizzato con un apposita tecnologia. L integrazione monolitica invece produce un microsistema con un unico processo di fabbricazione su di un unico substrato semiconduttore. L approccio ibrido offre maggiore flessibilità e la possibilità di scegliere componenti ottimizzati per l applicazione specifica, ma richiede uno sforzo notevole per eliminare problemi di allineamento fra i componenti, mentre il processo monolitico permette di realizzare microsistemi più compatti e robusti su di un unico chip, ma a spese di una maggiore complessità tecnologica. Determinare quale approccio sia il più idoneo dipende dalle tecnologie disponibili e dal costo accettabile. I.2 Integrazione ibrida I principali problemi legati allo sviluppo delle tecniche di integrazione ibrida sono: - riduzione delle perdite di propagazione e delle perdite per scattering. Il valore minimo richiesto per le perdite dipende dalla funzione dell OEIC. Se si tiene conto che in un OEIC in cui vi siano 10 componenti, la lunghezza complessiva del percorso ottico può essere di circa 5 cm, per cui è sempre opportuno mantenere le perdite di propagazione < 1 db/cm. Le perdite complessive nelle guide tengono anche conto delle perdite per scattering dovute a fluttuazioni di indice di rifrazione e della geometria (rugosità). Ovviamente anche queste perdite devono essere ridotte. Infatti, lo scattering della luce appare come un background noise per il segnale. Questo rumore può degradare in modo significativo le prestazioni di un OEIC. - miglioramento del rapporto di estinzione per le funzioni di commutazione e modulazione. Con commutatori e modulatori, che sono tipici esempi di dispositivi funzionali, è richiesto

3 un rapporto di estinzione > 25 db. Per ottenere tali valori, in diverse applicazioni si va oltre i 50 db, è necessario controllare lo scattering ed i modi nelle guide ottiche. - definizione di percorsi ottici (patterning) su grandi aree (ad esempio 70 x 20 mm 2 ), con larghezza di guida di pochi micrometri e accuratezza migliore di 0,1 μm. - efficienza di accoppiamento fra fibre ottiche e guide rettangolari (di laser, modulatori, ). Attualmente non esistono grandi problemi al riguardo in quanto è possibile realizzare valori di efficienza di accoppiamento > 80%. La Fig. I.1 mette in evidenza le tecnologie di fabbricazione dei sistemi optoelettronici integrati ibridi. Le tecniche di assemblaggio possono essere suddivise in due categorie: attiva e passiva. L allineamento attivo richiede che il diodo laser funzioni e la luce emessa venga accoppiata nel sistema in modo da determinare la posizione ottima dei componenti. Nell allineamento passivo, la posizione dei componenti è definita mediante elementi meccanici come groove, interruzioni e spaziature. Il materiale di substrato deve possedere una buona stabilità fisica e meccanica, elevata conduttività termica, buona conduttività elettrica, deve essere compatibile con le tecniche di connessione meccanica (ad es. le saldature) e deve avere un basso costo. I materiali più utilizzati come substrato per i microsistemi optoelettronici integrati sono i metalli ed i materiali ceramici (con appropriate caratteristiche termiche, meccaniche ed elettriche), il silicio (con cui si possono fabbricare dispositivi e componenti dai più semplici ai più complicati), i polimeri (questi substrati sono poco costosi; l allineamento può essere realizzato abbastanza semplicemente mediante tecniche molding o embossing con risoluzioni dell ordine del μm; è richiesta la preparazione di una struttura master di alta qualità da cui si ottengono numerose repliche. In alcuni casi i polimeri presentano serie limitazioni alle prestazioni dovute a scarse caratteristiche termiche ed elettriche).

4 I.2.1 Allineamento attivo Il posizionamento dei diodi laser e degli altri componenti optoelettronici in cui la luce deve essere accoppiata, è spesso un passo critico del processo di assemblaggio ibrido, perché spesso l accuratezza richiesta è < 1 μm. Una procedura tipica vede prima l allineamento del laser con la fibra o la guida in modo da ottenere la massima trasmissione e, successivamente, l allineamento

5 degli altri componenti. Si realizza prima l allineamento fra il laser e gli altri componenti tutti disposti su di un submount e poi si allineano i submount. Micro manipolatori meccanici a sei gradi di libertà aiutano l ottimizzazione delle posizioni in modo da ottenere valori di efficienza di accoppiamento molto elevati; ciò viene realizzato per fabbricare sistemi di trasmissione complessi con diodo laser, come quello della Fig. I.2. Questa tecnica è usata dalle industrie per assemblare i trasmettitori in package del tipo butterfly. Fig I.2 Componenti microottici che possono essere inclusi in un modulo di diodo laser L allineamento attivo è, in generale, complicato e lento: ciascun modulo laser deve essere assemblato separatamente con una resa complessiva piuttosto bassa. I.2.2 V-Groove Le tecniche di allineamento passivo utilizzano alcune soluzioni meccaniche per posizionare i componenti ottici nel microsistema. I diodi laser, le guide ottiche, le lenti e le fibre richiedono strutture appositamente dimensionate per facilitare il processo. Una di queste strutture è il V- groove, che serve per posizionare le fibre. Fig I.3 V-groove su silicio (100) per posizionamento delle fibre Il V-groove della Fig. I.3 è creato per etching (wet) sulla superficie del silicio e l angolo della superficie scavata è definito dai piani cristallini. L altezza del core della fibra è posizionata con un accuratezza di ± 1 μm. V-groove commerciali sono disponibili per allineare schiere di fibre.

6 I.2.3 Flip-chip Individuare la posizione dei diversi componenti optoelettronici in un microsistema non è il solo problema, dal momento che poi occorre fissare le posizioni e montare i componenti. Una soluzione può essere l uso di resine epossidiche modificabili con radiazione UV (questa radiazione solidifica l adesivo). Purtroppo, spesso si verifica una contrazione della colla, che si traduce in uno spostamento dei componenti dalla loro posizione desiderata. L alternativa valida è la tecnica flip-chip, che combina un accurato posizionamento con un contatto elettrico fra il substrato ed un chip ottico (es. laser o fotorivelatore). Questa tecnica è stata proposta circa 30 anni fa per assemblare componenti elettronici. Le due parti da allineare vengono dotati di appositi contact pad (Fig. I.4) tra i quali è inserita una piccola quantità di pasta saldante. Il materiale della pasta viene portato alla temperatura del melting point, in corrispondenza della quale i due componenti vengono attirati per effetto della tensione superficiale. A questo punto i due componenti vengono allineati, fissando la loro posizione mediante raffreddamento. Fig.I.4 Schema del processo di allineamento flip-chip Se si usa oro per realizzare i pad, il materiale saldante può essere l eutettico Au-Sn (il punto eutettico è quello dove la fase solida e quella liquida coincidono) oppure In. Il vantaggio di questa tecnica deriva dal fatto che è richiesto solo un allineamento grossolano, in quanto l allineamento finale è realizzato dalla tensione superficiale. Tolleranze di allineamento < 1 μm sono di routine. I.2.4 Silicon Optical Bench La tecnica silicon optical bench (SiOB) è un insieme di altre tecniche (V-groove, flip-chip, saldatura eutettica,..) che usa il silicio per allineare meccanicamente, mettere a contatto elettrico e termico e supportare fisicamente diversi componenti ottici. In Fig. I.5 è riportato un esempio schematico di SiOB. Si possono osservare i V-groove in cui sono posizionate le fibre (il loro fissaggio è fatto mediante resine all UV), mentre il chip laser è allineato con tecnica flip-chip.

7 Fig.I.5 Schema dell allineamento di un chip laser con fibre ottiche su silicio I.2.5 MOEMS La tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) ha dimostrato che il silicio non è di gran valore solo per l elettronica bensì anche per la fabbricazione di componenti micromeccanici funzionali e robusti. Applicato alle funzioni ottiche, il silicio ha pure dimostrato la sua utilità nella fabbricazione di componenti miniaturizzati che hanno condotto allo sviluppo di microopto-electro-mechanical-systems (MOEMS). I sistemi ottici basati su MOEMS usano componenti ottici e meccanici ultra miniaturizzati come specchi, lenti e sistemi di scansione. Questi componenti sono fabbricati con tecnologie di micro-machining di superficie o di volume. Nei MOEMS sono anche compresi attuatori elettrostatici, per controllare il movimento degli elementi micro ottici basati su silicio, ed altri accessori meccanici per permettere il posizionamento laterale e la rotazione. La tecnologia MOEMS è generalmente molto complessa e specializzata ed utilizza una

8 sorgente laser come componente esterno (montaggio ibrido). Esempi di applicazioni sono i sistemi di pickup ottico per lettura di dati dalle memorie (es. CD) ed i laser accordabili, mediante l uso di specchi di Ni con attuatori elettrostatici su substrato di silicio (è stato dimostrato un tuning range di Δλ = 20 nm, ottenuto con un MOEMS di volume ridotto rispetto ad una cavità esterna). Anche l allineamento fra un diodo laser ed una fibra ottica può essere realizzato mediante un chip MOEMS, che includa componenti meccanici e attuatori. I.3 Integrazione monolitica I dispositivi optoelettronici discreti sono strategici ed essenziali nei sistemi di comunicazioni ottiche, in quelli per l elaborazione dei segnali e per la sensoristica. Tuttavia, essi non possono essere usati da soli, bensì collegati ad altri componenti e dispositivi elettronici ed optoelettronici. Da qui la necessità di avere circuiti integrati optoelettronici compatti e ad elevate prestazioni, in cui vengono posti insieme, in forma integrata, tutti i dispositivi necessari a realizzare determinate funzioni. Durante l ultima decade sono stati fatti molti progressi nella fabbricazione di OEIC e sono stati prodotti trasmettitori, ricevitori e sistemi per l elaborazione di segnali. I.3.1 Aree applicative e vantaggi degli OEIC In Fig. I.6 sono riporate le tre aree principali di applicazione degli OEIC, la conversione optoelettronici, l elaborazione ottica di segnali e l elaborazione elettronica di segnali: Fig.I.6 Rappresentazione delle principali funzioni ed applicazioni degli OEIC

9 I laser ed i fotorivelatori sono i componenti principali della conversione optoelettronica, mentre gli OEIC svolgono una funzione più complessa in quanto combinano i dispositivi optoelettronici con quelli elettronici. L integrazione di dispositivi optoelettronici con altri componenti ottici, come le guide ottiche, permette di realizzare smart chip in grado di realizzare funzioni ottiche avanzate. I materiali idonei per la fabbricazione di OEIC sono i semiconduttori dei gruppi III-V ed il silicio. Il silicio è stato finora usato per ricevitori con velocità < 100 Mbps, ma un attenzione particolare è dedicata alla fabbricazione di OEIC in materiale III-V su substrato di Si. I vantaggi dell integrazione possono essere rappresentati da quelli degli OEIC, indicati in Fig. I.7. Fig.I.7 Campi applicativi degli OEIC in relazione ai vantaggi In figura vengono illustrati i principali vantaggi, prestazioni, funzioni e fabbricabilità, insieme con alcune potenziali applicazioni. L integrazione riduce fortemente la presenza di elementi parassiti con conseguente aumento della velocità di funzionamento dei sistemi e riduzione del rumore complessivo. Altri vantaggi sono la riduzione del numero di componenti, la facilitazione nell assemblaggio, l aumento di affidabilità ed il basso costo. Inoltre, l integrazione di componenti elettronici con dispositivi ottici permette di realizzare sistemi con funzioni avanzate ed in grado di gestire grandi quantità di informazioni ad elevata velocità. I.3.2 OEIC basati su GaAs Per fabbricare trasmettitori OEIC è necessario usare laser a bassa corrente di soglia per evitare riscaldamento non desiderato. Per questo si fabbricano i laser mediante MBE o MOCVD.

10 A partire dagli anni 80 sono stati proposti numerosi trasmettitori, soprattutto da gruppi di ricercatori giapponesi e statunitensi. Sono stati ottenuti rapporti di conversione fra la tensione in ingresso e la potenza ottica dell ordine di 6 mw/v, per un trasmettitore a quattro canali con bit rate di 2 Gbps, con corrente di soglia di circa 20 ma. I primi ricevitori OEIC presentavano una struttura verticale e comprendevano un fotodiodo AlGaAs/GaAs pin ed un amplificatore MESFET a GaAs. Le prestazioni ottenute erano piuttosto soddisfacenti (velocità di 1 Gbps e sensibilità di 18.6 dbm). Sono stati fabbricati anche ricevitori multicanale con fotodiodi MSM con sensibilità di circa 110 V/W e frequenza di cutoff di 1.1 GHz. Le applicazioni tipiche per questi ricevitori sono i sistemi di commutazione ( es.: matrici 16x16) ed i computer (es.: quattro canali MSM/amplificatore con 8000 MESFET). Il principale vantaggio dei fotodiodi MSM consiste in una velocità elevata : per un singolo fotodiodo MSM è stata dimostrata la possibilità di operare a 105 GHz, mentre per un sistema MSM/MESFET si è arrivati a circa 5 GHz). I.3.3 OEIC basati su InP Lo sviluppo di OEIC basati su InP è dovuto al notevole adattamento fra i reticoli di GaInAsP e AlGaInAs con il reticolo di InP. Il primo ricevitore pin/fet basato su InP è stato proposto nel 1980 da ricercatori del Laboratori Bell. (AT&T). Alcuni anni dopo, ricercatori della Toshiba hanno presentato un trasmettitore a 6.6 GHz ed altri dei Bellcore Labs. hanno integrato un laser DFB ed un AlInAs/GaInAs MODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistor) su di un substrato SI (Semi Insulating)-InP, dimostrando un funzionamento a 10 Gbps. L uso di transistori di front-end ad elevata frequenza di cutoff ha consentito di migliorare la sensibilità del ricevitore. I.3.4 OEIC basati su Si La funzione degli OEIC finora proposti è stata limitata prevalentemente alla ricezione di segnali ottici a causa della natura del Si (materiale a banda indiretta). Molto recentemente (2005) è stata però dimostrata la fattibilità di generazione di radiazione nel silicio con stabilità sufficientemente elevata e ciò certamente apre le porte a nuove e molto interessanti realizzazioni ed applicazioni nel campo degli OEIC. Il primo ricevitore al Si è stato fabbricato nel 1985 dalla Motorola per data rate fra 125 e 500 Mbps. La ragione fondamentale della limitata velocità è dovuta al disadattamento fra la lunghezza d onda di funzionamento del ricevitore e quella a cui corrispondono le perdite più basse nelle fibre ottiche. Tuttavia, i ricevitori al Si presentano dei vantaggi rispetto a quelli ibridi in termini di costo

11 e volume ridotti. Le principali applicazioni riguardano il data storage e le industrie che producono audiodisk e minidisk. I.4 Stato attuale degli OEIC Notevoli progressi sono stati ottenuti nelle prestazioni di chip OEIC in termini di bit rate (> 10 GHz) soprattutto per merito del miglioramento delle tecniche di fabbricazione, che hanno permesso di ridurre fortemente gli effetti capacitivi. I valori del bit error rate sono scesi al di sotto di e l affidabilità è tanto elevata da consentire il funzionamento degli OEIC in sistemi di comunicazioni ottiche. Attualmente possono essere fabbricati wafer con un numero di ricevitori > In Fig. I.8 è mostrato un modulo 4x4 formato da un array di trasmettitori, un commutatore 4x4 ed un array di ricevitori. Per poter fabbricare circuiti optoelettronici integrati ad elevate prestazioni, è necessario crescere materiale efficiente e facilmente riproducibile, essere in grado di sviluppare dispositivi e utilizzare tecniche appropriate di assemblaggio ( packaging ). Da questo punto di vista si può affermare che i ricevitori si avvicinano meglio dei trasmettitori a questo obiettivo, a causa della presenza dei laser (che presentano, in generale, strutture piuttosto complicate) nei trasmettitori. Risultati soddisfacenti sono stati ottenuti con laser lateral current.injection con struttura MQW in quanto, con la stessa struttura, sono stati realizzati anche i FET. Con laser MQW si sono misurate correnti di soglia < 1mA e velocità di risposta dell ordine di decine di psec. Per quanto riguarda il materiale, è essenziale poter controllare le interfacce: il sistema AlGaAs/GaAs MQW è più stabile del sistema GaInAsP/InP MQW proprio a causa delle migliori caratteristiche di stabilità dell interfaccia. Tuttavia, notevoli progressi sono stati fatti anche per i sistemi materiali basati su InP mediante la tecnica MOCVD e nella fabbricazione di laser III-V su Si.

12 Fig.I.8 Schema di uno switch ottico 4x4 formato da schiere di OEIC trasmettitori e ricevitori e da una matrice di