Stampa 3D e fotonica: i wire bond ottici del KIT collegano chip e fibre con guide d’onda su misura
Il problema non è più soltanto costruire chip fotonici, ma collegarli
La fotonica integrata sta diventando una componente sempre più importante delle infrastrutture per telecomunicazioni, data center, sistemi di calcolo ad alte prestazioni e acceleratori per intelligenza artificiale. All’interno di un photonic integrated circuit, o PIC, funzioni come modulazione, divisione e combinazione dei segnali, rivelazione e instradamento della luce possono essere concentrate su aree molto piccole. Il problema diventa però particolarmente complesso quando la luce deve passare dal chip a una fibra ottica, da un chip a un altro chip realizzato con una tecnologia differente oppure da un circuito fotonico a un sistema di misura. È proprio questo punto di interfaccia che il gruppo del Karlsruher Institut für Technologie (KIT), guidato dal professor Christian Koos, affronta da oltre un decennio utilizzando tecniche di micro e nanofabbricazione additiva tridimensionale.
Il 16 settembre 2026 Christian Koos, Philipp Dietrich e Matthias Lauermann sono stati nominati tra i finalisti del Deutscher Zukunftspreis, il Premio tedesco per il futuro assegnato dal Presidente federale, per il progetto dedicato ai microchip fotonici e alle cosiddette “Lichtbrücken”, letteralmente ponti di luce. È importante precisare che si tratta di una nomination e non dell’assegnazione del premio. La tecnologia, inoltre, non è semplicemente un nuovo esperimento universitario: parte della ricerca è stata trasferita in prodotti e processi industriali attraverso Vanguard Automation e Keystone Photonics. Questo non significa però che ogni prestazione dichiarata dalle aziende costituisca automaticamente un risultato verificato in modo indipendente; dati accademici, specifiche commerciali e claim dei produttori vanno tenuti distinti.
Perché collegare otticamente due componenti è così difficile
Una comune fibra monomodale per telecomunicazioni ha un diametro esterno dell’ordine di 125 micrometri, ma il campo ottico che trasporta il segnale occupa una regione molto più piccola, tipicamente dell’ordine di una decina di micrometri. Nei circuiti fotonici integrati le dimensioni del modo ottico possono essere ancora inferiori e dipendono fortemente dalla piattaforma utilizzata. Un circuito in silicio-on-insulator, un laser in fosfuro di indio, un dispositivo in nitruro di silicio e una fibra monomodale possono quindi presentare dimensioni, altezze, orientamenti e profili del campo elettromagnetico molto differenti.
Nei sistemi convenzionali questi componenti devono essere portati nella posizione che massimizza la potenza ottica trasmessa e quindi bloccati meccanicamente o mediante adesivi. Si parla spesso di active alignment, perché durante l’allineamento si misura effettivamente il segnale ottico e si sposta il componente fino a trovare il punto ottimale. Il processo richiede macchine di precisione, può essere relativamente lento e diventa particolarmente impegnativo quando devono essere assemblati decine o centinaia di canali. Anche un piccolo movimento durante la polimerizzazione dell’adesivo può ridurre l’efficienza di accoppiamento.
L’idea del KIT ribalta questa logica: non è necessario portare inizialmente i due dispositivi nella posizione otticamente ideale. I componenti vengono fissati con una precisione relativamente grossolana; successivamente il sistema determina la posizione reale delle interfacce e costruisce una guida d’onda tridimensionale specifica per quella geometria. In altri termini, invece di obbligare i componenti a coincidere con una connessione progettata in precedenza, è la connessione a essere adattata digitalmente alla posizione effettiva dei componenti.
Photonic Wire Bonding: una guida d’onda stampata direttamente tra i chip
Queste connessioni sono indicate come Photonic Wire Bonds, PWB. Il termine richiama il wire bonding utilizzato nell’elettronica per realizzare collegamenti elettrici tra chip e package, ma il principio fisico è differente: nel PWB viene fabbricata una vera guida d’onda ottica tridimensionale in materiale polimerico.
Il processo comincia con l’acquisizione tridimensionale delle zone nelle quali la luce deve entrare e uscire. Sistemi di imaging ad alta risoluzione e algoritmi di computer vision localizzano automaticamente le interfacce. Nel lavoro scientifico pubblicato dal gruppo del KIT nel 2020 è riportata una precisione di localizzazione migliore di 100 nanometri. Questo numero non deve però essere interpretato come la “precisione globale della stampante” o come la dimensione minima di ogni dettaglio prodotto: riguarda specificamente la determinazione delle posizioni delle interfacce utilizzate per costruire la connessione.
Una volta determinate le coordinate, un software genera il percorso tridimensionale della guida ottica, tenendo conto non soltanto dello spostamento geometrico ma anche delle caratteristiche dei modi ottici da collegare. Le estremità della struttura possono essere progressivamente rastremate in modo da adattare il mode field della guida stampata a quello dei dispositivi adiacenti, riducendo riflessioni e perdite di accoppiamento.
La “stampa 3D su scala nanometrica” è in realtà litografia laser multiphoton
Definire questa tecnologia semplicemente “stampa 3D” rischia di creare un paragone fuorviante con FDM, stereolitografia convenzionale o altri processi additivi macroscopici. I Photonic Wire Bonds sono prodotti attraverso two-photon o multiphoton polymerization, spesso indicata anche come direct laser writing.
Un laser a impulsi ultracorti viene focalizzato all’interno di un fotoresist. La probabilità che avvenga l’assorbimento simultaneo di due fotoni diventa significativa soltanto nell’intorno del fuoco del fascio. La polimerizzazione può quindi essere confinata in un volume molto piccolo, il cosiddetto voxel, e spostando tridimensionalmente il punto focale si costruiscono strutture con geometrie che sarebbero molto difficili da ottenere con una normale fotolitografia planare.
Il riferimento alla “nanoscala” riguarda quindi la capacità della litografia di definire dettagli estremamente piccoli e di controllare con precisione submicrometrica alcune caratteristiche della struttura. Le guide d’onda complete, tuttavia, sono strutture tridimensionali di dimensioni micrometriche e possono svilupparsi per decine o centinaia di micrometri. Non è corretto immaginare l’intero collegamento come un oggetto delle dimensioni di pochi nanometri.
Dopo l’esposizione, il materiale non polimerizzato deve essere rimosso attraverso il processo di sviluppo. Per ottenere una guida ottica protetta e controllare il contrasto di indice tra nucleo e ambiente circostante può inoltre essere applicato un cladding polimerico a indice più basso. Il post-processing è quindi parte integrante della tecnologia: la sola esposizione laser non produce automaticamente un componente pronto all’impiego.
Precisione, accuratezza e tolleranza non sono la stessa cosa
Uno degli aspetti più interessanti del Photonic Wire Bonding è che non cerca necessariamente di aumentare indefinitamente la precisione meccanica dell’assemblaggio. Cerca invece di tollerare una posizione iniziale meno precisa, misurarla accuratamente e compensarla nella geometria stampata.
Nel lavoro peer-reviewed pubblicato nel 2020 su Light: Science & Applications, gli autori indicavano la possibilità di impiegare sistemi di pick-and-place con tolleranze dell’ordine di 10 micrometri o superiori per il posizionamento preliminare. La successiva localizzazione ottica delle interfacce avveniva invece con accuratezza migliore di 100 nanometri. Questi due numeri descrivono operazioni completamente diverse e non sono in contraddizione: il primo rappresenta quanto può essere grossolano il preassemblaggio, il secondo quanto accuratamente viene determinata la posizione reale prima di generare la guida.
| Parametro | Valore riportato | Natura del dato |
|---|---|---|
| Localizzazione automatica delle interfacce | migliore di 100 nm | risultato scientifico, studio 2020 |
| Tolleranza del pre-posizionamento | circa 10 µm o superiore | configurazione sperimentale pubblicata |
| Perdite medie su 100 PWB di prova | 0,73 dB ± 0,15 dB | risultato peer-reviewed |
| Peggiore PWB nello stesso test | 1,2 dB | risultato peer-reviewed |
| Tempo di realizzazione per connessione | circa 30 s | apparato di ricerca 2020, non throughput dell’attuale linea industriale |
| Sonda ottica wafer-level | perdite fino a 1,9 dB per interfaccia | risultato peer-reviewed 2020 |
| PWB commerciale Vanguard | insertion loss tipica dichiarata fino a circa 0,7 dB | dato del produttore |
Cosa hanno effettivamente dimostrato gli esperimenti
Uno dei lavori più significativi del gruppo è stato pubblicato nel 2020 su Light: Science & Applications. In un esperimento dedicato alla riproducibilità sono stati prodotti automaticamente 100 Photonic Wire Bonds ravvicinati, con passo di 25 micrometri. Le perdite di inserzione medie misurate erano circa 0,73 dB, con deviazione standard di 0,15 dB e massimo di circa 1,2 dB. In quella specifica configurazione ogni connessione richiedeva circa 30 secondi: approssimativamente metà del tempo veniva utilizzata per individuazione delle interfacce e generazione del percorso e metà per l’esposizione del materiale.
Quest’ultimo dato è interessante, ma non deve essere utilizzato come misura dell’odierna produttività industriale. Il lavoro risale al 2020, impiegava un sistema litografico modificato da laboratorio e gli stessi autori indicavano margini di accelerazione. Vanguard Automation ha successivamente sviluppato sistemi destinati alla produzione industriale, ma dati pubblici indipendenti sufficientemente dettagliati sul numero effettivo di connessioni prodotte per ora nelle diverse configurazioni commerciali non consentono di ricavare un confronto economico universale con l’active alignment tradizionale.
Lo stesso lavoro scientifico ha sottoposto le strutture a cicli termici tra -40 °C e +85 °C. Dopo 225 cicli non sono state rilevate degradazioni significative entro l’accuratezza della misura. Gli autori riportavano inoltre precedenti campioni sottoposti a 600 cicli e a oltre 3.000 ore a 85 °C e 85% di umidità relativa senza degradazioni osservate. Sono risultati di affidabilità molto più significativi di una semplice dimostrazione di laboratorio, ma non equivalgono automaticamente a una certificazione universale di qualunque dispositivo costruito con questa tecnologia.
Anche sul fronte della potenza ottica sono stati effettuati test: in una serie di prove a 1550 nm i waveguide in silicio collegati ai PWB sono stati danneggiati intorno a 19 dBm di potenza on-chip prima che venissero osservati danni ai Photonic Wire Bonds. Vanguard Automation dichiara oggi per le proprie soluzioni capacità operative superiori a 20 dBm, ma quest’ultimo valore appartiene alle specifiche fornite dall’azienda.
Non solo connessioni: trasmettitori ottici da centinaia di gigabit
Il Photonic Wire Bonding non è stato testato soltanto mediante strutture passive. Il gruppo KIT ha realizzato sistemi multi-chip nei quali laser basati su fosfuro di indio, modulatori fotonici in silicio e fibre monomodali erano collegati tramite PWB.
Una dimostrazione comprendeva un trasmettitore a otto canali con velocità aggregata di linea di 448 Gbit/s, utilizzato su una connessione in fibra di 10 km senza amplificazione. Un’altra dimostrazione riguardava un trasmettitore coerente a quattro canali con velocità di linea aggregata di 784 Gbit/s, utilizzato su 75 km di fibra. Sono importanti dimostrazioni del fatto che i Photonic Wire Bonds possono operare all’interno di sistemi di comunicazione ad alta velocità e non soltanto trasportare luce continua tra due componenti.
Va comunque fatta una distinzione: quelle velocità non rappresentano la “velocità della guida stampata”. La capacità del collegamento dipende dall’intero sistema composto da laser, modulatori, elettronica, ricevitori, schema di modulazione e canale ottico. Il PWB costituisce l’interconnessione passiva che deve introdurre perdite e distorsioni sufficientemente ridotte da non compromettere il sistema.
Dal laboratorio al prodotto commerciale: Vanguard Automation
L’industrializzazione del Photonic Wire Bonding è passata principalmente attraverso Vanguard Automation, azienda nata dall’ecosistema KIT e acquisita nel 2024 dal gruppo svedese Mycronic. Vanguard commercializza oggi macchine, materiali e processi per l’integrazione fotonica mediante litografia 3D.
Tra i sistemi presentati dall’azienda figura la famiglia SONATA1000, progettata per la nanofabbricazione automatizzata mediante polimerizzazione a due fotoni, affiancata da sistemi REPRISE1000 destinati alle operazioni di sviluppo ed encapsulation. Non siamo quindi più davanti esclusivamente a un’attrezzatura sperimentale costruita in università.
Vanguard propone inoltre una famiglia di materiali dedicati: fotoresist negativi VanCore per Photonic Wire Bonds e microlenti, materiali VanClad per il cladding protettivo, fluidi VanIndex e materiali VanDam per l’incapsulamento. Secondo i dati pubblicati dall’azienda, a 1550 nm il materiale del PWB presenta indice di rifrazione circa 1,53 mentre il cladding si colloca intorno a 1,39. L’azienda dichiara compatibilità dalla banda O alla banda L, quindi con una porzione molto ampia delle lunghezze d’onda impiegate nelle telecomunicazioni, e con piattaforme quali silicon-on-insulator, silicon nitride, thin-film lithium niobate e indium phosphide.
Sempre secondo Vanguard, nelle proprie prove il collegamento fibra-fibra presenta una perdita media di circa 1,1 dB e il collegamento fibra-chip di circa 1,5 dB, con valori di yield dichiarati rispettivamente del 95% sotto 1,5 dB e del 100% sotto 2 dB. Sono specifiche e risultati pubblicati dal produttore, quindi non devono essere confusi con i valori ottenuti nei lavori peer-reviewed del KIT.
Vanguard indica inoltre test ambientali basati sui requisiti Telcordia GR-468, tra cui 1.000 ore a 85 °C/85% RH e 500 cicli tra -40 °C e +85 °C. La dicitura “testing following Telcordia GR-468” non significa automaticamente che ogni prodotto realizzato con il processo possieda una certificazione Telcordia indipendente: qualificazione del materiale, qualificazione del processo e certificazione del dispositivo finale sono concetti diversi.
Le microlenti stampate direttamente sulle fibre
La stessa piattaforma di fabbricazione non è limitata alle guide d’onda. La litografia 3D permette di creare microlenti, sistemi multilente, superfici free-form e micro-riflettori direttamente sulle estremità delle fibre o sui facet dei dispositivi fotonici.
Questa possibilità è particolarmente interessante quando il mode field di una fibra non corrisponde a quello della guida integrata. Invece di utilizzare un elemento ottico discreto che deve successivamente essere montato e allineato, la micro-ottica può essere realizzata direttamente sulla superficie interessata, con geometria ottimizzata per trasformare il fascio. Anche in questo caso il vantaggio potenziale deriva dalla combinazione tra progettazione digitale, fabbricazione locale della struttura e riduzione dei componenti da allineare meccanicamente.
Il secondo problema della fotonica: collaudare i chip prima del packaging
L’altra applicazione sviluppata nell’ecosistema KIT riguarda il testing dei circuiti fotonici direttamente sul wafer. Nell’industria elettronica il wafer probing permette da decenni di individuare i die difettosi prima di sostenere i costi di separazione, packaging e assemblaggio. Nella fotonica il problema è più difficile perché bisogna anche portare luce dentro e fuori dal circuito.
Nel 2020 un gruppo comprendente ricercatori del KIT, Ghent University-imec, Fraunhofer HHI, LioniX e altri partner ha pubblicato su Optics Express una soluzione basata su elementi ottici free-form stampati in 3D. Le sonde potevano entrare nelle trench di separazione del wafer e accoppiare la luce ai facet verticali di dispositivi realizzati su differenti piattaforme, tra cui silicon photonics, nitruro di silicio e fosfuro di indio. Nei test furono ottenute perdite fino a circa 1,9 dB per interfaccia.
La tecnologia è stata successivamente industrializzata da Keystone Photonics, fondata da Philipp Dietrich. Keystone sviluppa sonde ottiche per wafer-level testing e applicazioni di co-packaged optics. Nel dicembre 2025 l’azienda è stata acquisita da FormFactor, gruppo statunitense specializzato in sistemi di test per semiconduttori. Nei documenti finanziari FormFactor ha indicato un valore dell’operazione di circa 20,6 milioni di dollari al netto della liquidità acquisita. Anche questo passaggio è un indicatore concreto della transizione dalla ricerca a un’attività industriale, pur non rappresentando di per sé una misura delle prestazioni tecniche.
I limiti: la litografia diretta non elimina tutti i problemi di produzione
Il Photonic Wire Bonding risolve una parte molto specifica e importante del packaging fotonico, ma non elimina tutte le difficoltà dell’integrazione ottica. Il processo è di tipo direct-write: il laser deve costruire fisicamente le strutture seguendone il percorso. Questo introduce una componente di tempo di lavorazione che non esiste nello stesso modo nei processi fotolitografici paralleli utilizzati per produrre milioni di strutture sul wafer.
La convenienza dipende quindi dal numero di connessioni, dalla loro complessità, dal valore del dispositivo, dalle perdite ammissibili e dal costo alternativo dell’allineamento attivo. Non sono disponibili pubblicamente prezzi sufficienti delle apparecchiature e costi normalizzati per interconnessione tali da permettere di affermare che il PWB sia economicamente superiore in qualunque scenario.
Anche contaminazione e qualità delle superfici rimangono importanti. Nelle dimostrazioni scientifiche gli autori hanno osservato, per esempio, che particelle presenti durante la fabbricazione possono aumentare significativamente le perdite. La produzione richiede quindi controllo dell’ambiente, materiali qualificati, procedure di sviluppo e incapsulamento riproducibili e metrologia ottica adeguata.
Un altro elemento da considerare è il materiale polimerico. Le sue proprietà ottiche, termiche e meccaniche devono rimanere stabili durante l’intera vita utile del prodotto. I test climatici pubblicati sono incoraggianti e l’offerta commerciale comprende materiali specificamente sviluppati per queste applicazioni, ma la qualificazione deve comunque essere effettuata considerando ambiente operativo, lunghezza d’onda, potenza, cicli termici e requisiti del prodotto finale.
Perché questa tecnologia è interessante per chiplet fotonici e AI
La direzione più significativa potrebbe essere l’integrazione eterogenea. Non esiste infatti un’unica piattaforma fotonica ideale per tutte le funzioni: il silicio è particolarmente interessante per la fabbricazione su larga scala e l’integrazione con l’elettronica; i semiconduttori III-V come InP sono molto efficaci per generare luce; il nitruro di silicio offre perdite di propagazione molto basse; il litio niobato thin-film è interessante per modulazione elettro-ottica ad alte prestazioni.
Un collegamento tridimensionale realizzato dopo il montaggio consente teoricamente di utilizzare ciascun materiale dove offre i maggiori vantaggi, avvicinandosi alla filosofia dei chiplet, ma applicata alla fotonica. Le stesse tecnologie possono essere utilizzate per collegare fibre, laser, modulatori, fotodiodi, sensori e dispositivi destinati alla fotonica quantistica.
Per i data center e i sistemi AI il tema diventa particolarmente rilevante con lo sviluppo della co-packaged optics, nella quale le interfacce ottiche vengono portate sempre più vicino ai processori e agli switch per ridurre la distanza percorsa elettricamente dai segnali ad altissima velocità. I Photonic Wire Bonds rappresentano una delle possibili tecnologie di packaging per questo scenario, non l’unica: continuano infatti a essere sviluppati edge coupler, grating coupler, fiber array, interposer ottici, micro-transfer printing e altre tecniche di integrazione.
Da ricerca scientifica a infrastruttura produttiva
La particolarità del lavoro di Christian Koos, Philipp Dietrich, Matthias Lauermann e dei numerosi ricercatori che hanno contribuito allo sviluppo non consiste quindi semplicemente nell’aver dimostrato che sia possibile “stampare una fibra ottica in 3D”. Il risultato è più specifico: utilizzare litografia laser ad altissima risoluzione per realizzare in situ microguide e micro-ottiche tridimensionali la cui geometria viene calcolata dopo aver misurato la posizione reale dei componenti.
Questo permette di trasferire una parte della complessità dall’hardware di posizionamento al software e alla fabbricazione additiva. È una differenza sostanziale: invece di chiedere alla macchina di assemblaggio di eliminare quasi completamente l’errore geometrico, l’errore residuo viene misurato e compensato dalla geometria della struttura ottica.
Dopo oltre un decennio di ricerca, peer review, prove di affidabilità e sviluppo industriale, il Photonic Wire Bonding ha superato la fase della semplice dimostrazione concettuale. Esistono sistemi di produzione commerciali e sonde commerciali basate sulle tecnologie nate al KIT. Restano però fondamentali produttività, costi per connessione, qualificazione dei materiali e integrazione nelle linee di packaging ad alto volume. Sono questi parametri, più dei record geometrici della stampa 3D, a determinare quanto rapidamente queste “microscopiche passerelle di luce” potranno diffondersi nella prossima generazione di sistemi fotonici.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
