Licht ist schnell, und im neuen Photoniklabor des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS übernimmt es jetzt die Arbeit auf dem Chip. Das Institut hat ein Photoniklabor in Betrieb genommen, mit dem es photonische Chiplets nun vollständig am eigenen Standort entwickeln, fertigen und charakterisieren kann: von der ersten Idee bis zum charakterisierten Bauteil, als vollwertiger Beitrag zur europäischen Pilotlinie APECS. Mehrere Schlüsselgeräte des neuen Labors konnten dabei durch Fördermittel im Rahmen der APECS-Pilotlinie angeschafft werden. Ein hochrangiger Gast aus Brüssel, Dr. Eric Fribourg-Blanc, Senior Programme Officer im Chips Joint Undertaking der Europäischen Union, besuchte das Institut und verschaffte sich persönlich ein Bild vom Stand der Dinge.
Warum photonische Chiplets für uns alle wichtig sind
Der Name klingt sperrig, doch das Prinzip photonischer Chiplets steckt längst im Alltag. Glasfaserkabel, die das Internet tragen, arbeiten nach demselben Grundprinzip: Statt elektrischer Signale transportieren diese Bauteile Licht, was deutlich höhere Geschwindigkeiten, bessere Energieeffizienz und größere Bandbreiten ermöglicht als klassische Elektronik. In hochintegrierten Systemen der Zukunft, etwa für Datenkommunikation, medizinische Sensorik oder KI-Infrastruktur, werden solche photonischen Bauelemente eine Schlüsselrolle spielen.
Das Fraunhofer IMS entwickelt und fertigt diese Chiplets im eigenen Reinraum auf 200-mm-Wafern unter industrienahen Bedingungen. Die photonisch integrierten Schaltkreise (PICs) werden dabei auf CMOS-Ausleseschaltungen realisiert. Damit verknüpft das Institut seine Kernkompetenz in der Mikroelektronik direkt mit modernster Photonik. Diese Verbindung macht das Fraunhofer IMS zu einer gefragten Adresse innerhalb der europäischen Chiplet-Landschaft.
Das neue Labor: 50 Quadratmeter, die den Unterschied machen
Mit dem neuen Photoniklabor bringt das Fraunhofer IMS nun eine vollständige Charakterisierungsinfrastruktur in die europäische Pilotlinie ein und stärkt damit die gemeinsame Technologiebasis aller APECS-Partner. Auf knapp 50 m2 sind zwei optische Messplätze entstanden, die Charakterisierungen sowohl auf Chip- als auch auf Wafer-Ebene ermöglichen.
Der erste Messaufbau ist für die halbautomatische Charakterisierung photonischer Schaltkreise mit Gitterkopplern ausgelegt. Ein Nanopositioniersystem mit sechs Freiheitsgraden und integriertem Drehtisch positioniert optische Fasern und Faserarrays mit mikroskopischer Präzision an den Lichteinkopplungspunkten des Chips, sodass eine genaue optische Kopplung mit photonisch integrierten Schaltkreisen auf Wafern bis zu zwölf Zoll Durchmesser möglich wird. Ein zweiter Aufbau, ebenfalls mit einem Nanopositioniersystem mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet, erlaubt die Charakterisierung von Chips mit Seitenkopplern.
Als Lichtquellen stehen ein Superkontinuum-Laser mit einem durchstimmbaren Wellenlängenbereich von 350 bis 2.400 nm sowie ein schmalbandiger Präzisionslaser für den Telekommunikationsbereich um 1.550 nm zur Verfügung. Der Superkontinuum-Laser ermöglicht zusammen mit abstimmbaren Filtern eine umfassende Charakterisierung photonischer Wafer und Chips vom UV- bis in den nahinfraroten Bereich. Ein Spektrometer ergänzt die Messinfrastruktur bei der Auswertung optischer Signale.
„Mit dem neuen Photoniklabor können wir unsere photonischen Chiplets jetzt von der ersten Idee bis zum getesteten Bauteil vollständig am eigenen Standort entwickeln und charakterisieren. Das gibt dem gesamten Netzwerk von APECS genau die Handlungsgeschwindigkeit, die ein europäisches Pilotlinienprojekt dieser Größenordnung braucht", sagt Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke, Leiterin Technology.
Europäische Technologiesouveränität: mehr als ein Schlagwort
Der Laboraufbau ist kein Selbstzweck. Das Fraunhofer IMS ist als eines von 15 Instituten Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) und zentraler Beitragender zu APECS, der Pilotlinie für „Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems“. APECS ist ein wichtiger Baustein des EU Chips Acts, um Chiplet-Innovationen voranzutreiben und die Forschungs- und Fertigungskapazitäten für Halbleiter in Europa zu erhöhen. Ziel ist der Aufbau einer umfassenden europäischen Pilotlinie um die technologische Resilienz Europas zu erhöhen, Liefer- und Wertschöpfungsketten zu sichern und Innovationen in Schlüsselbranchen voranzutreiben.
Dass das Fraunhofer IMS dabei keine Nebenrolle spielt, machte der Besuch von Dr. Fribourg-Blanc deutlich. Nach der Begrüßung durch Institutsleiter Prof. Dr. Anton Grabmaier und Vorträgen von Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke sowie Dr. Alexander Litke und Holger Kappert zu Kooperationsaktivitäten, konkreten Pilotlinienbeiträgen und geplanten Beschaffungsmaßnahmen führte der Weg direkt ins Labor, wo Europas Chipzukunft buchstäblich vermessen wird.
Besonders beachtet wurden dabei drei Kompetenzen, die das Institut in APECS einbringt: die Entwicklung und Fertigung hochintegrierter photonischer Chiplets, eine leistungsfähige Design-Infrastruktur für externe Nutzer mit maßgeschneiderten Design-Flows, Process Design Kits und Simulationsmodellen sowie die neu ausgebauten Charakterisierungskapazitäten des Instituts. Zusammen sollen diese Bausteine Unternehmen jeder Größe, vom globalen Konzern bis zum Technologie-Startup, einen niedrigschwelligen Zugang zu photonischer Chiplet-Technologie ermöglichen.
Wie das in der Praxis aussieht, zeigt ein gemeinsam entwickelter Multi-Material-Sensor-Demonstrator, bei dem photonische Chiplets des Fraunhofer IMS zusammen mit Technologien weiterer APECS-Partner auf einem gemeinsamen Interposer zu einem funktionsfähigen heterogenen System integriert werden.
„APECS ist für das Fraunhofer IMS weit mehr als ein Forschungsprojekt. Es ist ein konkreter Beitrag zur technologischen Unabhängigkeit Europas. Photonische Chiplets sind eine Schlüsseltechnologie für die Systeme von morgen, und wir freuen uns, diesen Baustein gemeinsam mit unseren europäischen Partnern zu entwickeln", betont Dr. Alexander Litke, Projektleiter der APECS-Aktivitäten am Fraunhofer IMS.
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