Photonische Chiplets: Fraunhofer IMS startet Labor

Was photonische Chiplets für die Industrie bedeuten

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS hat in Duisburg ein neues Photoniklabor in Betrieb genommen. Damit kann das Institut photonische Chiplets nun vollständig am eigenen Standort entwickeln, fertigen und charakterisieren. Die Prozesskette reicht von der ersten Idee bis zum getesteten Bauteil.

Wie aus der Mitteilung hervorgeht, ist das Labor ein vollwertiger Beitrag zur europäischen Pilotlinie APECS. Mehrere Schlüsselgeräte konnten durch Fördermittel im Rahmen der Pilotlinie angeschafft werden. Zum Start verschaffte sich Dr. Eric Fribourg-Blanc, Senior Programme Officer im Chips Joint Undertaking der Europäischen Union, persönlich einen Eindruck vom Stand der Arbeiten.

Photonische Chiplets nutzen Licht statt elektrischer Signale. Das Prinzip ist aus Glasfaserkabeln bekannt, die Daten mit hoher Geschwindigkeit übertragen. Für künftige hochintegrierte Systeme können solche Bauelemente höhere Bandbreiten, bessere Energieeffizienz und größere Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglichen als klassische Elektronik.

Relevante Anwendungen sieht das Fraunhofer IMS unter anderem in der Datenkommunikation, der medizinischen Sensorik und der KI-Infrastruktur. Damit werden photonische Bauelemente zu einer Schlüsseltechnologie für Systeme, in denen Rechenleistung, Signalübertragung und Energieeffizienz enger zusammenrücken.

Photonische Chiplets aus dem Reinraum

Das Fraunhofer IMS entwickelt und fertigt die Chiplets im eigenen Reinraum auf 200-mm-Wafern unter industrienahen Bedingungen. Die photonisch integrierten Schaltkreise, kurz PICs, werden auf CMOS-Ausleseschaltungen realisiert.

Damit verbindet das Institut seine Kompetenz in der Mikroelektronik mit moderner Photonik. Diese Kombination ist für die europäische Chiplet-Landschaft relevant, weil sie elektronische und photonische Funktionen in hochintegrierten Systemen zusammenführt.

Wie das neue Photoniklabor in Duisburg arbeitet

Das neue Photoniklabor umfasst knapp 50 Quadratmeter. Auf dieser Fläche sind zwei optische Messplätze entstanden, die Charakterisierungen sowohl auf Chip- als auch auf Wafer-Ebene ermöglichen. Damit bringt das Fraunhofer IMS eine vollständige Charakterisierungsinfrastruktur in die europäische Pilotlinie ein.

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 präzise an den Lichteinkopplungspunkten des Chips. So wird eine genaue optische Kopplung mit photonisch integrierten Schaltkreisen auf Wafern bis zu zwölf Zoll Durchmesser möglich.

Ein zweiter Aufbau ist ebenfalls mit einem Nanopositioniersystem mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet. Er dient der Charakterisierung von Chips mit Seitenkopplern. Damit deckt das Labor unterschiedliche Kopplungs- und Messanforderungen photonischer Chiplets ab.

Als Lichtquellen stehen ein Superkontinuum-Laser mit einem durchstimmbaren Wellenlängenbereich von 350 bis 2400 Nanometern sowie ein schmalbandiger Präzisionslaser für den Telekommunikationsbereich um 1550 Nanometer zur Verfügung. Der Superkontinuum-Laser ermöglicht zusammen mit abstimmbaren Filtern die Charakterisierung photonischer Wafer und Chips vom UV- bis in den nahinfraroten Bereich. Ein Spektrometer ergänzt die 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.

Robotik und KI: Bosch setzt auf Milliardenmarkt

Robotik und KI sollen Bosch neue Wachstumsperspektiven eröffnen. Der Konzern richtet sich stärker auf Automatisierung und humanoide Robotik aus.

Warum APECS für photonische Chiplets wichtig ist

Das neue Labor ist Teil eines größeren europäischen Technologieaufbaus. Das Fraunhofer IMS gehört als eines von 15 Instituten zur Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland, kurz FMD, und ist zentraler Beitragender zu APECS. Die Pilotlinie steht für „Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems“.

APECS ist laut Mitteilung ein wichtiger Baustein des EU Chips Acts. Ziel ist es, Chiplet-Innovationen voranzutreiben und Forschungs- sowie Fertigungskapazitäten für Halbleiter in Europa zu erhöhen. Der Aufbau einer europäischen Pilotlinie soll die technologische Resilienz Europas erhöhen, Liefer- und Wertschöpfungsketten sichern und Innovationen in Schlüsselbranchen unterstützen.

Beim Besuch von Dr. Fribourg-Blanc wurde die Rolle des Fraunhofer IMS sichtbar. Nach der Begrüßung durch Institutsleiter Prof. Dr. Anton Grabmaier folgten Vorträge von Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke sowie Dr. Alexander Litke und Holger Kappert. Im Mittelpunkt standen Kooperationsaktivitäten, konkrete Pilotlinienbeiträge und geplante Beschaffungsmaßnahmen. Anschließend führte der Weg ins neue Labor.

Sponsored

Wie Sie Ihre Produktion KI-ready machen

Der Hype um Künstliche Intelligenz (KI) in der Industrie ist riesig. Doch während die Theorie alles Mögliche verspricht, herrscht in vielen Werkhallen Ernüchterung. Der Grund ist meist ein Mangel an Datenqualität.

Welche Kompetenzen das Fraunhofer IMS einbringt

Besonders hervorgehoben wurden drei Kompetenzen des Instituts innerhalb von APECS. Dazu zählt erstens die Entwicklung und Fertigung hochintegrierter photonischer Chiplets. Zweitens bringt das Fraunhofer IMS eine Design-Infrastruktur für externe Nutzer ein, darunter maßgeschneiderte Design-Flows, Process Design Kits und Simulationsmodelle. Drittens erweitert das neue Labor die Charakterisierungskapazitäten.

Diese Bausteine sollen Unternehmen unterschiedlicher Größe einen niedrigschwelligen Zugang zu photonischer Chiplet-Technologie ermöglichen. Adressiert werden sowohl globale Konzerne als auch Technologie-Startups.

Wie das praktisch aussehen kann, zeigt ein gemeinsam entwickelter Multi-Material-Sensor-Demonstrator. Dabei werden photonische Chiplets des Fraunhofer IMS zusammen mit Technologien weiterer APECS-Partner auf einem gemeinsamen Interposer zu einem funktionsfähigen heterogenen System integriert.

„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.

Mit Material des Fraunhofer IMS