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08/09/2021

Fotonica integrata: una tecnologia pervasiva

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L'Integrated Photonics Initiative mira a sviluppare dispositivi fotonici miniaturizzati.

A cura di Luca Piccirillo

Indice

Introduzione
La fotonica integrata: una tecnologia pervasiva
I vantaggi della Fotonica integrata
Nanorods d'oro come dissipatori di calore: cosa sono
Il potenziale della fotonica di silicio integrata: studi recenti
La fotolitografia e la microscopia ad altissima risoluzione su chip: un abbinamento d'eccezione
Circuiti ottici per tecnologie informatiche quantistiche integrate

Introduzione

L'Integrated Photonics Initiative (IPI) mira a sviluppare e commercializzare dispositivi fotonici miniaturizzati. Questi saranno usati per le applicazioni più innovative nell'industria, bio-medicale, aerospaziale - o qualsiasi altro settore che richieda la trasmissione di dati ad alta capacità con perdita di energia trascurabile su lunghe distanze.

Questo perché le onde luminose sono in grado di viaggiano molto più lontano senza perdere la loro intensità di quanto possano fare i segnali elettrici su un'antenna cablata prima di indebolirsi nel nulla. La fotonica integrata sostituirà gli attuali sistemi di connettori con fibre ottiche, che sono molto sottili (circa la larghezza di un capello umano) e hanno la capacità di trasportare informazioni a velocità estremamente elevate. Queste informazioni vengono trasmesse tramite impulsi di luce che non diminuiscono nel corso il loro viaggio. La fotonica integrata è una tecnologia pervasiva che avrà un grande impatto sulla nostra vita quotidiana.

La fotonica integrata: una tecnologia pervasiva

Nella fotonica integrata, le guide d'onda possono essere integrate su un chip di silicio proprio come i componenti elettronici. In linea di principio, questo aprirebbe la strada a nuovi moduli integrati come modulatori ottici o rilevatori di luce che potrebbero essere integrati nell'elettronica di silicio, come i circuiti integrati.

La fotonica è una tecnologia pervasiva che può essere integrate in un'ampia gamma di applicazioni. Per esempio, la fotonica integrata potrebbe rendere possibile lo sviluppo dell'elaborazione di segnali ottici integrata in microprocessori con molte funzioni diverse o l'ibridazione della trasmissione dati wireless in infrastrutture metropolitane e regionali con reti di comunicazione a lunga distanza basate su fibra ottica.

I vantaggi della Fotonica integrata

I vantaggi che la fotonica integrata può offrire sono chiari: grazie alla miniaturizzazione le sorgenti e i ricevitori di luce si avvicinerebbero, il che ridurrebbe considerevolmente i costi di produzione dei singoli componenti e al contempo permetterebbe una maggiore integrazione funzionale da un lato e prestazioni più elevate dall'altro. Tuttavia, sebbene i dispositivi fotonici integrati in silicio siano diventati tecnologie consolidate, comprendere e superare gli ostacoli rimanenti è una sfida quotidiana per i ricercatori che lavorano in questo settore.

Nanorods d'oro come dissipatori di calore: cosa sono

Per raffreddare i dispositivi fotonici integrati in silicio, gli ingegneri usano dissipatori di calore posizionati all'estremità delle guide d'onda integrate o sulla loro superficie. Questi possono essere integrati usando i processi di fabbricazione standard della microelettronica.

Tuttavia, la fotonica di silicio integrata offre anche un'alternativa sotto forma di dissipatori di calore attivi integrati: questi consistono in diodi emettitori di luce (LED) con un nanorods d'oro centrale come substrato che assorbe la luce e quindi emette radiazione termica. Lo hanno dimostrato i ricercatori dell'Istituto per la Tecnologia della Microstruttura dell'Università di Saarland e dell'Istituto per l'Elettronica, l'Elaborazione dell'Informazione e i Sistemi di Comunicazione in collaborazione con gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Il potenziale della fotonica di silicio integrata: studi recenti

Nella fotonica di silicio integrata è possibile assorbire luce di diverse lunghezze d'onda e poi convertono il segnale ottico integrato in un segnale elettrico integrato. I ricercatori dell'Università di Saarland sono riusciti a sviluppare moduli fotonici integrati in silicio con LED integrati che si interfacciano elettricamente all'elettronica in silicio esistente, per esempio. I LED integrati hanno permesso la trasmissione di dati ad alta velocità senza perdite significative su una distanza fino a 50 µm, cosa senza precedenti per l'ottica integrata.

Questo progetto di ricerca ha dimostrato la fattibilità di un'ibridazione efficiente dal punto di vista energetico e conveniente tra la fotonica di silicio integrata senza fili e i sistemi di comunicazione a fibra lunga. C'è molto più potenziale: dato che la tecnologia di fabbricazione usata è matura e i piccoli componenti possono essere prodotti facilmente già oggi, le fonti di luce potrebbero presto sostituire i diodi elettronici come interruttori di potenza o modulatori integrati nell'elettronica di silicio.

In un progetto non ancora pubblicizzato, i ricercatori hanno integrato dissipatori di calore attivi per il raffreddamento di dispositivi fotonici integrati e LED integrati per trasmettere elettricamente dati ottici con circuiti di silicio integrati. Questo progresso permetterà una nuova generazione di sistemi ibridi integrati di fotonica al silicio/comunicazioni al silicio nelle telecomunicazioni e nella tecnologia informatica.

La fotolitografia e la microscopia ad altissima risoluzione su chip: un abbinamento d'eccezione

Ricercatori del KIT hanno integrato microscopia ad altissima risoluzione e fotolitografia in un unico chip. L'ultimo numero di Optics Express descrive come ciò sia stato ottenuto usando strutture microfluidiche integrate con guide d'onda in silicio per l'ottica integrata. Come risultato, ora è possibile adattare guide d'onda ottiche integrate sia su chip fotonici di silicio integrati che su sistemi di imaging integrati.

Circuiti ottici per tecnologie informatiche quantistiche integrate

Al momento la fotonica di silicio integrata viene usata principalmente nell'elettronica integrata come i microprocessori, ma in futuro potrebbe avere un ruolo importante anche nelle tecnologie dell'informazione quantistica integrata. Per esempio, i ricercatori del KIT hanno studiato porte ottiche integrate fatte di diodi emettitori di luce che permettono di accoppiare otticamente molti qubit. Questo si traduce in architetture compatte e scalabili per reti quantistiche integrate basate sulla tecnologia del silicio.

Allo stesso modo, un team dell'Università di Stoccarda ha sviluppato circuiti integrati altamente miniaturizzati per sorgenti di fotoni deterministici usando strutture ibride di silicio/vetro - si prevede che queste giocheranno un ruolo cruciale nelle tecnologie integrate di informazione quantica in futuro. Gli studi attuali stanno anche guardando oltre la fotonica di silicio integrata stessa ed esaminando come diodi laser, circuiti integrati superconduttori o componenti fotonici a microonde integrati potrebbero essere integrati nell'optoelettronica di silicio integrata sfruttando la tecnologia di micro e nano-fabbricazione.

L'Integrated Photonics Initiative svilupperà il primo Integrated Photonic Integrated Circuit (IPIC). Si tratta di un chip rivoluzionario che integra diodi emettitori di luce (LED), laser e rilevatori e dispositivi optoelettronici sullo stesso wafer di silicio. Si baserà sulla tecnologia del nitruro di gallio (GaN), che ha reso possibile creare chip molto più piccoli di quanto fosse possibile prima - e il GaN è ideale per applicazioni ottiche.

I partner del progetto mirano a sviluppare questa tecnologia e a renderla disponibile in un processo ingegneristico entro il 2014. Un prototipo di questo chip sarà presentato al CeBIT 2010 di Hannover, Germania. Gli IPIC potranno poi essere utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui le telecomunicazioni e l'industria automobilistica (per esempio, nei sistemi di veicoli autoguidati), così come per gli strumenti scientifici.

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