Il mio primo ricordo è luce – la luminosità della luce – luce tutto intorno. Georgia O’Keeffe

A cura di Luca PiccirilloIndice

Introduzione
Optoelettronica: definizione
Fotonica del silicio: gli studi degli ultimi anni
La optoelettronica si nutre di diversi approcci innovativi
La fotonica del silicio e i nuovi chip in produzione
Introduzione

L'avvento di nuovi dispositivi basati sulla fotonica del silicio sta rivoluzionando il modo di fare elettronica. La “optoelettronica”, così denominata tecnicamente, fornisce un nuovo paradigma per le interconnessioni che permette di superare alcune limitazioni dell'attuale tecnologia basata sul rame, come la sua forte suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) o la ridotta larghezza di banda dovuta alla sua propagazione attraverso fili metallici con velocità limitate (meno di 100 Gbps).

La optoelettronica, detta anche “fotonica del silicio”, consente di superare tali problemi perché i segnali ottici possono essere inviati su fibre a base di vetro, che hanno una capacità potenziale di trasmissione molto più alta (fino a diversi terabit/s), bassa suscettibilità alle EMI e fattori di forma molto compatti.
Questa particolare branca delle applicazioni dei sistemi fotonici ci consente, dunque, di realizzare interconnessioni su distanze più lunghe, anche metri. Fotonica del silicio: definizione

La fotonica del silicio si riferisce all'uso della luce come mezzo di comunicazione attraverso guide d'onda integrate nel CMOS. Queste guide d'onda si basano su nanofili o nastri core-shell, piuttosto che sulle tradizionali fibre ottiche di vetro.

Il vantaggio principale dell'uso del silicio è che permette l'integrazione on-chip con circuiti attivi come transistor e fotodiodi. Inoltre, è stato dimostrato che usando il silicio si possono ottenere larghezze di banda più alte e meno ritardi rispetto ai sistemi basati su fibre di vetro.
Inoltre, le tecnologie optoelettroniche hanno ampie possibilità di applicazione perché portano i vantaggi della tecnologia CMOS (complementary metal oxide semiconductor) integrata nei dispositivi microelettronici interconnessioni ottiche oltre a quelle propriamente elettriche. Fotonica del silicio: gli studi degli ultimi anni

Negli ultimi anni abbiamo visto un'impennata di attività sulla optoelettronica con risultati pubblicati di recente. Per esempio, IBM ha dimostrato un laser su chip a bassa potenza con 16 W di potenza in uscita che può essere accoppiato direttamente a fibre ottiche. Sono stati anche utilizzati materiali InGaAsP/InP e un laser ad emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) azionato elettricamente come fonte di luce.

È stato realizzato un collegamento di trasmissione dati ottici a 1 Gbps in fibra monomodale standard accoppiando il VCSEL attraverso un filtro spaziale programmabile e utilizzando un sensore d'immagine optoelettronico per recuperare i dati trasmessi all'estremità del ricevitore.

Ricercatori di Anche Micron hanno raggiunto quest'ultimo obiettivo utilizzando materiali SiGe per fabbricare un ricevitore a 10 GHz compatibile con i semiconduttori a ossido di metallo complementari (CMOS) che è in grado di comunicare con alte velocità di bit a distanze fino a 15 metri. Altri gruppi stanno studiando l'uso della fotonica del silicio per le interconnessioni dei data center.

Gli stessi ricercatori di IBM hanno recentemente dimostrato la fattibilità di laser on-chip accoppiati a processori di segnali digitali (DSP), utilizzando processi di fabbricazione CMOS, come ricetrasmettitori in reti all-optical all'interno di data center: nel loro esperimento è stato utilizzato un segnale NRZ da 10 Gbps trasmesso attraverso canali multipli di fibra e hanno dimostrato che poteva essere facilmente rilevato dal ricetrasmettitore ottico. La fotonica del silicio si nutre di diversi approcci innovativi

Oltre a quelli già accennati, vi sono altri approcci che usano diversi tipi di fonti ottiche, come i laser ad emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) o gli amplificatori a transimpedenza per rigenerare il segnale. Per esempio, i ricercatori dell'Università di Stanford hanno dimostrato un array VCSEL pilotato elettricamente da transistor CMOS compatibili.

Il laser VCSEL ha una larghezza di banda di modulazione di 160 MHz e funziona vicino a 1 V a bassa potenza. Il dispositivo fotonico è stato fabbricato in una tecnologia avanzata di semiconduttori di ossido metallico complementare da 90 nm e confezionato utilizzando tecniche di lavorazione di wafer CMOS/SOI standard da 300 mm. Utilizza circuiti elettrici locali che possono essere integrati con interconnessioni elettroniche su chip di silicio tramite processi di flip-chip bonding ad alte prestazioni, permettendo così un'integrazione molto compatta con dispositivi elettronici. La fotonica del silicio e i nuovi chip in produzione

Anche i produttori di chip e moduli sono coinvolti nella optoelettronica. Nel 2015 Intel ha prodotto il suo primo ricetrasmettitore da 2 Tbps con l'obiettivo di integrarlo nei sistemi di telecomunicazione. Le applicazioni più esigenti richiedono l'uso di interfacce ottiche tra nodi di interconnessione (router o switch), che oggi rappresentano fino al 50% dei costi del sistema.

Internet da solo rappresenta il 75% di tutto il traffico per volume e il 90% per valore nel 2016, e si prevede che questo numero raddoppierà entro i prossimi anni. Questo traffico dovrà viaggiare su reti ottiche usando la luce invece dei segnali elettrici. Ciò renderà questa tecnologia molto importante per le grandi aziende. Oltre al ricetrasmettitore di Intel, anche un consorzio di aziende della Silicon Valley sta lavorando su questa tecnologia.

Questo gruppo comprende Facebook, Google e Cisco Systems. Il suo obiettivo è l'uso di tecnologie ottiche per interconnessioni di data center dove una rete elettrica richiederebbe 10 chip per nodo server (ognuno con 16 porte). Usando dispositivi a 4 porte come quelli descritti prima da IBM, ogni chip potrebbe essere sostituito da un dispositivo a 2 porte che offre la stessa funzionalità riducendo il consumo energetico della metà. Nel complesso questo approccio più integrato ridurrà i costi del 40%: siamo alle porte di una vera rivoluzione! Se hai bisogno di soluzioni innovative per la tua azienda, contatta il nostro laboratorio creativo. Noi di bitCorp saremo lieti di darti una mano!