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

Research&Tachnologies Dept. : Competences and Resources 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) Photonics (21) RF assemblies(13) Microelectronics (20) GaAs Foundry (25) Employees 78 (~30% Graduated)

RF Testing & Reliability (5) Clean Rooms: ~ 600m2 (Class 100/1000) 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: MMIC Production (14) R&D Emerging Tec.(6) RF Testing & Reliability (5) Employees 25 Clean Rooms: ~ 600m2 (Class 100/1000) Equipments: ~ 12 M€

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: Employes 40 Lab & Clean Rooms: ~ 1000m2 Equipments: ~ 8 M€

FOTONICA

PHOTONCS: Technologies Capabilities Devices Thin Film Chips LiNbO3 Wafers Integrated Optics Devices Amplitude Modulators / Phase / frequency Switches and electro-optics switches matrixes AOTF (Acousto-Optics Tunable Filter Non linear PPLN Devices Packaging Photolitography Thin Film Technologies Fiber interconnection

PHOTONICS TECHNOLOGIES: 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 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

LiNbO3:caratteristiche e proprietà Trasparente (0.4m-4m) Elettrootico: n  E Piezoelettrico: E  PACU Acustoottico: n  PACU Ferroelettrico: polarizzazione spontanea a campo nullo

Modulatore elettroottico in LinbO3 Il segnale di tensione VRF modula la fase ottica nei due rami dell’interferometro 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 LinbO3: 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

PROCESSO REALIZZATIVO Wafer di LiNbO3 Realizzazione guide ottiche Strato buffer Elettrodi film sottile Elettrodi film spesso (crescita elettrolitica guidata) End-Fire e taglio finale

Guide TAPE (Thermal Annealed Proton Exchange) SCAMBIO PROTONICO CH3COOH + LiNbO3  CH3COOLi + HNbO3 Maschera SiO2 Impianto di Sputtering Acido benzoico a 200°C Forno per diffusioni 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

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

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

Crescita elettrodi Per il funzionamento fino a 35 GHz si richiede: Matching tra l’indice di propagazione a radio-frequenza nRF(~4) e l’indice ottico nOPT(~2) Aumento dello spessore degli elettrodi: il segnale RF risente maggiormente dell’indice naria=1, dunque si riduce nRF Il progetto degli elettrodi richiede, per il matching elettro-ottico : Larghezza (elettrodo centrale) = 10-12 m Altezza  38 m G tB tE WG W 

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

Link in Fibra Ottica Link digitale Link analogico Il modulatore è pilotato dal segnale d’ingresso tra il massimo e il minimo di trasmissione Link digitale 0,1,1,0, …, 1,1,0 Il modulatore è pilotato intorno al punto di massima linearità Link analogico VRF(OUT)  VRF(IN)

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

La Fotonica nel RADAR: segnali analogici RF Sistemi WDM, amplificazione e commutazione ottica Allo stato dell’arte SNR =70dB/ MHz SFDR=110dBc/Hz2/3 Applicazioni: Tool di simulazione target Rete di BFN ottico al livello di subarray 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 Modulatore Selex SI MEADS Laser (1) Modulator Laser (2) Riv. RFOUT 1 2 3 4 1.501 msec 1.500 msec 0.751 msec 0.750 msec DMUX MUX AMPLI 2 1 t = 0.75 msec ( 150 km di fibra) Delay Module

Segnale a 4400 MHz sottocampionato a 500 MSps (FFT) ENOB 5.5 La Fotonica nel RADAR: segnali analogici Oscillatore Optoelettronico Vantaggi Generazione direttamente in RF (senza moltiplicazioni) Rumore di fase indipendente dalla frequenza (<-135dBc/Hz @ 10 KHz offset) Rumore di fase tanto minore quanto più è lunga la cavità Disponibile un output ottico per distribuzione in fibra Convertitore ADC fotonico 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 all’uso di treni di impulsio ottici campionanti ad alta stabilità (jitter rms <30fs) Segnale a 4400 MHz sottocampionato a 500 MSps (FFT) ENOB 5.5

Silicon photonic nano-wires Fotonica – Optical Device (FP7 SOFI) 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 Vantaggi Combinazione dei vantaggi del silicio in termini di: tecnologie di silicon-photonics , integrabilità con elettronica C-MOS, con l’efficienza di modulazione ottica dei polimeri organici Silicon photonic nano-wires 21

Le Nanotecnologie

Progetto Nazionale Progetto: NMP: Nanotechnology Multiscale Project Partners: SELEX SI, SELEX COMM (oggi SELEX ELSAG), ALENIA AERONAUTICA (Oggi ALENIA AERMACCHI), CSM, OTOMELARA 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

PNRM 13/05: flusso delle attività Implementazione ed applicazione dell‘Ambiente Integrato ai 4 settori d‘interesse - DB Ambiente NMP - DB Nano Intelligence - DB Impatto Ambientale Definizione e progettazione ambiente integrato multiscala Models & NanoTechnologies Development NMP Integrated Environment Analisys & Sinthesys “State of Art” Study Test and Exploitation Nano Demonstrators Test Results and future Devel. Analisys 15

PNRM 13/05: struttura del progetto 4 Sotto-Progetti: Nano-Sensors, Nano-Electronics, Nano-Radar Selective Material, Nanostructured Metallic Material 3 “Data Base”: Multiscale Modelling DB, Nano-R&D DB, Biological & Environmental Impact of Nanotechnologies DB 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 THERMAL MANAGEMENT NANOCOPS NANOBIO NANOVALV NANO CHIM NANOFSS NANOMET NANOEMA NANOPROT

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

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

Sensoristica – NANOCOPS (Nano Carbon MonOxide Photonic Sensor) Integrazione dell’hardware e del software del sensore basato su micro-bilancia 100ppm 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 un’ottima sensibilità misurando agevolmente concentrazioni che arrivano fino a 5 ppm. 28

Sensoristica – NanoBio Interactive Material Obiettivo: Sviluppo di biosensori basati su array di microcantilever in silicio e realizzazione di un sensore a basso costo Principi di funzionamento: Il bioricettore viene depositato su ciascun microcantilever con tecniche di tipo ink-jet. A seguito dell’interazione del bioricettore con l’elemento 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 29

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

Sensoristica – Sensore Chimico NanoChim 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 R = R1 R2 … R4096 C = C1 C2 … CN Algoritmi di Classificazione PCA (Principal Component Analysis) PLS-DA (Partial Least Square Discriminant Analysis) Reti Neurali Sensore (4096 elementi polimerici resistivi) 31

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

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

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 dell’ordine del centinaio di GHz E’ stata avviata la realizzazione del primo prototipo di nano-valvola Multi-Finger Processi tecnologici più semplici per la realizzazione Frequenza operative maggiori rispetto alla Configurazione Crossbar Config. Crossbar (Fase 2)

Nanoelettronica – Thermal Management Obiettivo Sfruttare l’elevata 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. GaN Bump Sapphire AlN Substrate Vantaggi Migliorare le prestazioni e l’affidabilità 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) 35

Nanoelettronica – Thermal Management Principi di funzionamento Inclusione di CNT in matrici commerciali per l’aumento 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) Face-up Flip-chip TIM Chip Package Heat sink CNT come ‘ponte’ tra le strutture metalliche della resina Set-up di misura delle resine Bump in CNT 36

Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS Obiettivo Realizzazione di schermi FSS (Frequency Selective Surface) per antenne RADAR attive al fine di migliorarne le prestazioni TiO2 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 dell’assieme nel range di frequenze voluto Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz Nanopolvere di TiO2 Vantaggi FSS low cost e flessibile per Sistemi Multifunzione @ 6-18GHz con: Trasmittanza > 80% nella banda 6 GHz- 18-GHz Riflettanza < 40% nella banda 6 GHz-18- GHz 37

Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione - Progettazione Materiali nano-compositi dielettrici con permettività controllata parte reale parte immaginaria Matrice: resina epossidica Filler: Al2O3 (1-10 m), TiO2 (0.3-0.5 m), SrTiO3 (5 m) Progettazione del nano-composito mediante simulazione (EMT) Test di caratterizzazione: misure permettività effettiva 8-18 GHz Progettazione del dimostratore FSS multistrato (nano-composito) con patch a film sottile multistrato 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 Banda passante a 0.8 da circa 6 GHz fino a 18 GHz

Applicazioni EM – Multistrati nanometrici per FSS FSS a Banda Larga per Sistemi Multifunzione Realizzazione e Test 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

Multistrati nanometrici per applicazioni EMA 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) 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 40

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 l’ausilio di modelli matematici e tool di calcolo appositamente sviluppati che tengono conto del comportamento dei materiali su scala micrometrica e nanometrica 41

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 l’ausilio 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 Immagine di un provino Immagini SEM del rivestimento e successive elaborazioni grafiche 42

Materiale in sezione post laminazione ARB per Applicazioni Aeronautiche e Balistiche 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. 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. Materiale in sezione post laminazione Laminatoio Ciclo n°1 2 strati Interfaccia creata Ciclo n°2 4 strati interfaccia creata Ciclo n° N 2^N strati … 43

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

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 un’ampia 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.

NanoAmb: architettura software generale NanoAmb è concepito come un’infrastruttura software per la gestione di programmi per la simulazione e in generale l’ottimizzazione di dispositivi elettronici di varia natura (antenne, amplificatori, nanovalvole, metamateriali, guide d’onda, 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, l’immissione 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 l’analisi 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…

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

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

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

e-mail: afiorello@selex-si.com T +39 06 415013104 M. +393351379733 Anna Maria Fiorello e-mail: afiorello@selex-si.com T +39 06 415013104 M. +393351379733