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4 Aprile 2012 TECNOLOGIE FOTONICHE e NANOTECNOLOGIE (in SELEX Sistemi Integrati) Anna Maria Fiorello.

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1 4 Aprile 2012 TECNOLOGIE FOTONICHE e NANOTECNOLOGIE (in SELEX Sistemi Integrati) Anna Maria Fiorello

2 Research&Tachnologies Dept. : Competences and Resources Competences : Development of Electronic and Photonic emerging Devices (GaN, THz,..) Photonics for Radar and Sensors Design of MMIC and RF assemblies RF (TRM, SSPA,..) GaAs/GaN Foundry Microelectronics Risources: R&T (3) RF assemblies(13) GaAs Foundry (25) Microelectronics (20) Photonics (21) Employees 78 (~30% Graduated)

3 GaAs/GaN Foundry Competences: R&D Emerging Technologies (GaN, mmW, MEMS, THz,..) RF Testing (on-wafer) and Modeling (FET) Development and ProductionMMIC Reliability of electronic components Risources: Clean Rooms: ~ 600m 2 (Class 100/1000) Equipments: ~ 12 M MMIC Production (14) R&D Emerging Tec.(6) RF Testing & Reliability (5) Employees 25

4 Microelectronics & Photonics Competences: R&D Photonics and Emerging Technologies(Nanotechnology, MEMS, THz,..) Design and fabbrication of Integrated Optics Devices Design and Fabbrication of fiber optics sub-systems Development of Integration and Packaging Technologies Pre-Production of microelectronics modules Quantum Crittography MMIC and MW Sub-Systems Design Risources: Lab & Clean Rooms: ~ 1000m 2 Equipments: ~ 8 M Employes 40

5 FOTONICA

6 PHOTONCS: Technologies Capabilities LiNbO 3 WafersChips Devices Thin Film Photolitography Fiber interconnection Integrated Optics Devices Amplitude Modulators / Phase / frequency Switches and electro-optics switches matrixes AOTF (Acousto-Optics Tunable Filter Non linear PPLN Devices Technologies Packaging Thin Film

7 Integrated Optics Lithium Niobate Foundry –Wide BW (>30GHz) electroptic modulators –Acusto-Optic Tunable Filters –Fiber Optics Gyroscopes –Fiber Optics EM-Field Sensors –Optical swich matrixes –Design, manufacturing, pigtailing and packaging of customised devices PHOTONICS TECHNOLOGIES: Advanced architectures for Optical signal processing Optical Beam Forming Networks Photonic μ-wave generation and μ-wave mixing High sampling rate Photonic A/D converters Programmable Fiber Optic Delay Lines for Radar Calibration Digital & analog FO links

8 LiNbO 3 :caratteristiche e proprietà Trasparente (0.4 m-4 m) Elettrootico: n E Piezoelettrico: E P ACU Acustoottico: n P ACU Ferroelettrico: polarizzazione spontanea a campo nullo

9 Il segnale di tensione V RF modula la fase ottica nei due rami dellinterferometro Mach Zehnder La potenza ottica in uscita varia tra il massimo (interferenza costruttiva ) e il minimo di trasmissione (interferenza distruttiva ) Un segnale applicato ad un ingresso DC sposta lateralmente la curva di trasmissione per posizìionarla nel punto di massima linearità Modulatore elettroottico in LinbO 3

10 Modulatore elettroottico in LinbO 3 : risposta in frequenza La risposta in frequenza del modulatore è funzione di: Perdite RF della linea di trasmissione del sergnale elettrico Mismatch di velocità tra segnale ottico e segnale RF

11 PROCESSO REALIZZATIVO Wafer di LiNbO 3 Realizzazione guide ottiche Strato buffer Elettrodi film sottile Elettrodi film spesso (crescita elettrolitica guidata) End-Fire e taglio finale

12 Maschera SiO 2 Scambio Protonico Annealing termico (~350°C) Caratteristiche di una guida TAPE Conduce una sola polarizzazione (Filtro intrinseco TE) Alto danno fotorifrattivo (>100mW) Alta efficienza elettro-ottica Perdite di propagazione ~0.5dB/cm SCAMBIO PROTONICO CH 3 COOH + LiNbO 3 CH 3 COOLi + HNbO 3 Guide TAPE (Thermal Annealed Proton Exchange) Impianto di Sputtering Acido benzoico a 200°C Forno per diffusioni

13 Guide per Diffusione di Titanio Titanium strip deposition Titanium diffusion Salto dindice indotto su entrambe le polarizzazioni (TE e TM) Basse perdite di propagazione (<0.2dB/cm) Bassa soglia di danneggiamento fotorifrattivo (<10mW)

14 PROCESSO ELETTRODI Realizzazione elettrodi a film sottile (NiCr\Au) Spinning e cottura dellSU-8 Illuminazione dal retro Sviluppo Crescita galvanica guidata e stripping SU-8 RISULTATI (FOTO SEM)

15 Crescita elettrodi G tBtB tEtE WGWG W Per il funzionamento fino a 35 GHz si richiede: Matching tra lindice di propagazione a radio-frequenza n RF (~4) e lindice ottico n OPT (~2) Aumento dello spessore degli elettrodi: il segnale RF risente maggiormente dellindice n aria =1, dunque si riduce n RF Il progetto degli elettrodi richiede, per il matching elettro-ottico : Larghezza (elettrodo centrale) = m Altezza 38 m

16 Dopo i processi planari: taglio, end-fire e packaging Taglio del wafer con microsega K & S Incollaggio testimoni Lappatura angolata End-Fire: Planarizzazione (Pasta diam.+ghisa) Lucidatura (Syton + panno poliuretano) Interconnessione con fibra ottica Packaging

17 Link in Fibra Ottica Link digitale Link analogico Il modulatore è pilotato dal segnale dingresso tra il massimo e il minimo di trasmissione 0,1,1,0, …, 1,1,0 Il modulatore è pilotato intorno al punto di massima linearità V RF (OUT) V RF (IN)

18 18 Distribuzione dati di controllo al TRM multichannel Rete di Beam Forming Digitale Esempio: Distribuzione del OL ai ricevitori in antenna STALO Tx ottico Rx ottico Ricevitore ACC TR ottico Multichannel TRM Ricevitore TR ottico DSP La Fotonica nel RADAR: segnali digitali

19 RF Sistemi WDM, amplificazione e commutazione ottica Allo stato dellarte SNR =70dB/ MHz SFDR=110dBc/Hz2/3 Applicazioni: Tool di simulazione target Rete di BFN ottico al livello di subarray MEADS Laser ( 1 ) Modulator Laser ( 2 ) Modulator Riv. RF OUT msec msec msec msec DMUX MUX AMPLI 2 1 t = 0.75 msec ( 150 km di fibra) Delay Module Modulatore Selex SIModulatore Selex SI Vantaggi Primo target 12 bit: 4096 posizioni del target fino a 220km SecondoTarget per misure in cella radar Risparmio sui FAT, SAT, tool per test della cancellazione velocità commutazione<1usec La Fotonica nel RADAR: segnali analogici

20 Vantaggi Generazione direttamente in RF (senza moltiplicazioni) Rumore di fase indipendente dalla frequenza 10 KHz offset) Rumore di fase tanto minore quanto più è lunga la cavità Disponibile un output ottico per distribuzione in fibra Oscillatore Optoelettronico Convertitore ADC fotonico Segnale a 4400 MHz sottocampionato a 500 MSps (FFT) ENOB 5.5 Vantaggi Campionamento direttamente su portante RF (no down conversion) Ampia banda istantanea di ingresso (>40GHz) Scalabiltà del rate di campionamento a >16GSps aumentando la parllelizzazioone Alto ENOB (>12bit) grazie alluso di treni di impulsio ottici campionanti ad alta stabilità (jitter rms <30fs) La Fotonica nel RADAR: segnali analogici

21 Fotonica – Optical Device (FP7 SOFI) Vantaggi Combinazione dei vantaggi del silicio in termini di: tecnologie di silicon-photonics, integrabilità con elettronica C-MOS, con lefficienza di modulazione ottica dei polimeri organici Principi di funzionamento Integrazione di polimeri organici elettro-ottici + strutture guidanti in silicio per modulazione ottica ad alta frequenza ( > 60 GHz) Strutture guidanti in silicio submicrometriche Silicon photonic nano-wires

22 Le Nanotecnologie

23 Obiettivo: Progettare e realizzare dimostratori per i vari ambiti di applicazione previsti dal progetto che dimostrino le capacità delle aziende coinvolte ed i miglioramenti delle prestazioni dei prodotti rispetto alle tecnologie tradizionali Motivazioni: accrescere il know-how nel campo delle nanotecnologie quale elemento abilitante per lo sviluppo e la realizzazione di prodotti altamente innovativi nel settore militare e civile Progetto:NMP: Nanotechnology Multiscale Project Partners:SELEX SI, SELEX COMM (oggi SELEX ELSAG), ALENIA AERONAUTICA (Oggi ALENIA AERMACCHI), CSM, OTOMELARA Progetto Nazionale

24 PNRM 13/05: flusso delle attività 1 5 Test and Exploitation Nano Demonstrators Test Results and future Devel. Analisys NMP Integrated Environment Analisys & Sinthesys State of Art Study Implementazione ed applicazione dellAmbiente Integrato ai 4 settori dinteresse - DB Ambiente NMP - DB Nano Intelligence - DB Impatto Ambientale Definizione e progettazione ambiente integrato multiscala Models & NanoTechnologies Development

25 THERMAL MANAGEMENT NANOCOPS NANOBIONANOVALVNANOCHIM NANOFSSNANOMETNANOEMA NANOPROT PNRM 13/05: struttura del progetto 4 Sotto-Progetti4 Sotto-Progetti: Nano-Sensors, Nano-Electronics, Nano-Radar Selective Material, Nanostructured Metallic Material 3 Data Base:3 Data Base: Multiscale Modelling DB, Nano-R&D DB, Biological & Environmental Impact of Nanotechnologies DB 9 Temi di Ricerca:9 Temi di Ricerca: Sensore CO, Sensore Chimico, Sensore Biologico, Nanotriodo al THz basato su CNT, Thermal Management per HP devices basato su CNT, FSS Nanostrutturate, Materiali EMA, Materiali Metallici per Aeronautica, Materiali per applicazioni Ballistiche

26 Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) CIM (Chemically Interactive Material) sviluppati in NANOCOPS CompostoVantaggiSvantaggi Porfirina basata su RodioBuona sensibilità Commercialmente poco diffusa Porfirina basata su ferro(III) Buona stabilità chimica Scarsa sensibilità Porfirina basata su ferro(II)Alta sensibilitàInstabilità chimica Composti CorroliciMedia sensibilitàBuona stabilità Obiettivo: Obiettivo: Realizzazione di un sensore per CO ad elevata sensibilità (>5 ppm), robusto, a basso rumore e di facile utilizzo

27 Micro-bilancia CIM Spettroscopia UV in assorbimento Fase 2 Sensore resistivo (elettrodi interdigitati + CIM) Fase 3 Fase 4 Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Tecniche di sensing sperimentate

28 Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Integrazione dellhardware e del software del sensore basato su micro-bilancia 100 ppm 25ppm 5ppm 50ppm 150ppm Dimostratore del Sensore NanoCOPS basato sul principio della micro-bilancia Misure di CO a varie concentrazioni. Il sistema ha dimostrato di avere unottima sensibilità misurando agevolmente concentrazioni che arrivano fino a 5 ppm.

29 Sensoristica – NanoBio Interactive Material Obiettivo: Obiettivo: Sviluppo di biosensori basati su array di microcantilever in silicio e realizzazione di un sensore a basso costo Principi di funzionamento: Principi di funzionamento: Il bioricettore viene depositato su ciascun microcantilever con tecniche di tipo ink-jet. A seguito dellinterazione del bioricettore con lelemento da detettare il microcantilever varia la sua massa e di conseguenza varia la frequenza di oscillazione che viene misurata tramite tecniche ottiche. La variazione della frequenza di oscillazione è direttamente proporzionale alla variazione di massa del microcantilever a seguito della detezione

30 Sensoristica – NanoBio Interactive Material 1.CAMERETTA A VUOTO; 2.CELLA PELTIER; 3.DISCO PIEZOELETTRICO; 4.CHIP CONTENENTI GLI ARRAY DI CANTILEVER; 5. INGRANDIMENTO AL MICROSCOPIO OTTICO DI UN ARRAY Completati i test per la funzionalizzazione dei cantilever e avviati i test funzionali preliminari

31 Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim R R = R 1 R 2 … R 4096 C C = C1C2……CNC1C2……CN PCA (Principal Component Analysis) PLS-DA (Partial Least Square Discriminant Analysis) Reti Neurali Obiettivo Realizzare un sensore in grado di rilevate sostanze chimiche direttamente o indirettamente pericolose Principio di funzionamento Sensore costituito da una matrice di NxN (=4096) contatti elettrici resistivi costituiti da polimeri organici drogati di diversa natura e struttura Polimeri diversi presentano risposta diversa alla interazione chimica con il medesimo analita (indipendenza dei polimeri) Il numero di polimeri utilizzati è << del numero di celle (10-20 polimeri). Si ha pertanto una naturale ridondanza e non indipendenza delle celle Sensore (4096 elementi polimerici resistivi)

32 Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim IL DIMOSTRATORE: INTEGRAZIONE DEI COMPONENTI Scheda NI-6212 Matrice su Daughter Board Gas Chamber Scheda Scansione e Lettura SW Lettura e Controllo

33 Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo Potenziali applicazioni: sono legate alla possibilità di raggiungere frequenze di funzionamento molto elevate Applicazioni nellHomeland Security Detezione di esplosivi tramite analisi di spettri di assorbimento Comunicazioni sicure a corto range (attenuazione atmosferica) Obiettivo Realizzare un dispositivo valvolare il cui catodo sia realizzato tramite nano-tubi di carbonio (CNTs); lemissione di elettroni dal catodo è ottenuta fruttando leffetto punta di strutture nano-metriche quali i CNTsVantaggi Elevata miniaturizzazione Alte frequenze di funzionamento Alta potenza (Thermal Management facilitato) CNTs for Cathode Spettri di assorbimento di esplosivi Imaging al THz

34 Processi tecnologici più semplici per la realizzazione Frequenza operative maggiori rispetto alla Configurazione Crossbar Config. Crossbar (Fase 2) E stata avviata la realizzazione del primo prototipo di nano-valvola Multi-Finger Nanoelettronica – Nanotriodo a catodo freddo Le più recenti simulazioni basate sulla configurazione Multi-Finger hanno evidenziato limiti di funzionamento del dispositivo per frequenze non superiori dellordine del centinaio di GHz

35 Nanoelettronica – Thermal Management Obiettivo Sfruttare lelevata conducibilità termica dei nano-tubi di carbonio (CNTs) per sviluppare nuovi materiali e tecniche di montaggio per chip di potenza a microonde al fine di migliorarne la dissipazione. Vantaggi Migliorare le prestazioni e laffidabilità in particolare dei dispositivi MMIC in tecnologia GaN che possono sviluppare elevati valori di densità di potenza in conseguenza degli elevati valori di tensione di polarizzazione e corrente a cui possono operare. Riduzione della T di giunzione in dispositivi basati su tecnologia GaAs e GaN quali elementi costitutivi dei TRM (Transmit/Receive Module) GaN Bump Sapphire AlN Substrate

36 Nanoelettronica – Thermal Management Principi di funzionamento Inclusione di CNT in matrici commerciali per laumento di conducibilità termica del materiale (face-up). I CNT fungono da ponte tra le particelle metalliche della resina commerciale Utilizzo di CNT come bump per aumento della conducibilità termica e diretta interconnessione elettrica del chip al substrato (flip-chip) TIM Chip Package Heat sink TIM Chip Package Face-up Flip-chip CNT come ponte tra le strutture metalliche della resina Set-up di misura delle resine Bump in CNT

37 Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS Vantaggi FSS low cost e flessibile per Sistemi 6-18GHz con: Trasmittanza > 80% nella banda 6 GHz- 18-GHz Riflettanza < 40% nella banda 6 GHz-18- GHz Principi di funzionamento Patch metallica realizzata in Film Sottile multistrato Dielettrico realizzato utilizzando matrice base standard più nano/micro polveri dielettriche per la calibrazione della costante dielettrica del composito Azione filtrante dellassieme nel range di frequenze voluto Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz TiO2 Nanopolvere di TiO2 Obiettivo Realizzazione di schermi FSS (Frequency Selective Surface) per antenne RADAR attive al fine di migliorarne le prestazioni

38 FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione - Progettazione Patch Film sottile multistrato (50nm di Ni e 300 nm di Cu) SE di circa 60 dB Dielettrico Resina epossidica + 4% Titania (TiO2), spessore 3.5 mm Progettazione del dimostratore FSS multistrato (nano-composito) con patch a film sottile multistrato Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Materiali nano-compositi dielettrici con permettività controllata parte reale parte immaginaria 0 Matrice: resina epossidica Filler: Al2O3 (1-10 m), TiO2 ( m), SrTiO3 (5 m) Progettazione del nano-composito mediante simulazione (EMT) Test di caratterizzazione: misure permettività effettiva 8-18 GHz Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS

39 FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione Realizzazione e Test Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS Sono stati realizzati una serie di dimostratori tecnologici costituiti da pannelli FSS delle dimensioni di 40X40 cm circa Tutti i dimostratori sono stati misurati in camera anecoica mostrando un buon accordo con le simulazioni

40 Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Applicazioni La struttura è utilizzata per la schermatura di calotte e di finestre per sensori aeronautici; mira a garantire alta trasmittanza ottica nelle bande operative di vari sensori elettro-ottici (E/O) di missione, ed al contempo bassa osservabilità a radio-frequenza Obiettivo Studio e sviluppo di nuovi materiali multistrato nano-strutturati conduttivi a Radio Frequenza, ma trasparenti nel: visibile e vicino infrarosso (fino a 1,5 μm) medio infrarosso (8 – 12 μm)

41 Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Medio infrarosso (8–12 μm): Substrato di Germanio su cui, attraverso tecniche di deposizione tramite sputtering e tecniche di fotolitografia, viene realizzata una struttura reticolare metallica a film sottile opportunamente ottimizzata nella geometria. Lo studio e la simulazione di tali strutture è stato fatto con lausilio di modelli matematici e tool di calcolo appositamente sviluppati che tengono conto del comportamento dei materiali su scala micrometrica e nanometrica

42 Multistrati nanometrici per applicazioni EMA Visibile e vicino infrarosso (fino a 1,5 μm) Lo studio e la simulazione di tali strutture è stato fatto con lausilio di modelli matematici e un tool di calcolo costituito di 4 moduli appositamente sviluppati; Attraverso di esso è possibile calcolare la correlazioni tra dimensioni dei grani del rivestimento su scala nanometrica e proprietà funzionali dello schermo Immagini SEM del rivestimento e successive elaborazioni grafiche Immagine di un provino

43 ARB per Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Principi di funzionamento: Principi di funzionamento: consiste nella ripetizione di cicli di laminazione di un precursore costituito da un accoppiamento di due lamierini sovrapposti. La laminazione impartisce a tale precursore una deformazione plastica con una riduzione di spessore tipicamente del 50% realizzando così una giunzione metallurgica tra i due lamierini. Al termine di ogni ciclo il lamierino prodotto viene riaccoppiato ad un suo analogo e laminato nuovamente. Ciclo n°1 2 strati Interfaccia creata Ciclo n°2 4 strati interfaccia creata Ciclo n° N 2^N strati Interfaccia creata … Laminatoio Materiale in sezione post laminazione Obiettivo Obiettivo: utilizzare la tecnica ARB (Accumulative Roll Bonding) per sviluppare materiali metallici nanostrutturati per applicazioni aeronautiche e balistiche con prestazioni migliorate rispetto al materiale tal quale.

44 Vantaggi: il materiale nanostrutturato ha mostrato il miglioramento su leghe da incrudimento dei seguenti parametri sforzo ultimo a rottura durezza Applicazioni Aeronautiche e Balistiche Microdurezza Vickers AA6056-T4 Microdurezza Vickers AA6056-T6 Microdurezza Vickers AA6056-ARB Test di durezza Dimostratore Balistico: eseguiti test preliminari Dimostratore Aeronautico: parte strutturale costituita da uno skin in AA5083 nanostrutturato mediante ARB e stringer in AA7075 – T6511 Test di trazione su AA5083 H111 ARB

45 Nano Amb: Progettazione Multiscala La dinamica dei Sistemi Naturali e Tecnologici é determinata da uno spettro di fenomeni e processi che interagiscono fra loro su unampia gamma di scale spaziali e temporali. Progettazione Multiscala: metodologia di progettazione supportata da simulatori e ottimizzatori che risolvono numericamente modelli analitici che si riferiscono a strutture fisiche il cui comportamento è determinato da fenomeni che avvengono a diverse scale spaziali e/o temporali.

46 NanoAmb: architettura software generale NanoAmb è concepito come uninfrastruttura software per la gestione di programmi per la simulazione e in generale lottimizzazione di dispositivi elettronici di varia natura (antenne, amplificatori, nanovalvole, metamateriali, guide donda, ecc…) il cui comportamento è descritto attraverso modelli matematici che rappresentano fenomeni che, in generale, avvengono a diverse scale spaziali e/o temporali. Funzionalità chiave: permettere lo scambio di modelli e dati tra i diversi software integrati in modo da realizzare un workflow completo di simulazione/ottimizzazione CAD: permettono la definizione dei modelli meccanici e quindi, limmissione della parte più rilevante dei dati di input Mesher: permettono la discretizzazione dei modelli meccanici necessaria per le successive fasi di calcolo numerico Solver: attraverso opportune tecniche di calcolo forniscono la stima dei parametri fisici di interesse e che, in generale, si riferiscono a scale spazio/temporali diverse Optimizer: attraverso lanalisi comparata e reiterata dei risultati forniti dai vari solver, consentono la soluzione di problemi di ottimizzazione quali ad esempio la ricerca di massimi e minimi condizionati, ecc…

47 NanoAmb: esempio di emissione da nano-punta A partire dalla costruzione del modello a elementi finiti della nano-punta, attraverso TiberCAD calcola la corrente di emissione Tale valore di corrente viene utilizzato come dato di input per CST per calcolare le traiettorie degli elettroni

48 NanoInt: database Nano Intelligence NanoInt: data-base contenente anagrafica e informazioni di aziende, università, politecnici ed anti di ricerca che a vario titolo si occupano direttamente o indirettamente di nanotecnologie

49 NanoImAm: Database Nano Impatto Ambientale NanoImAm: data-base contenente articoli, documenti e normative riguardanti i vari aspetti delle nanotecnologie legate a questioni di impatto ambientale e sicurezza per i lavoratori e la popolazione

50 T M Anna Maria Fiorello


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