Che cos'è un circuito integrato fotonico?

Un circuito integrato fotonico (PIC), anche noto come circuito a onde luminose planare o circuito integrato ottico, è un microchip composto da due o più componenti collegati tra loro che creano un circuito che genera, trasporta, modifica o misura la luce. Mentre un circuito integrato elettronico utilizza gli elettroni, i PIC utilizzano i fotoni. Le informazioni sui PIC vengono create, modificate e misurate come un segnale ottico della luce con lunghezze d'onda nello spettro visibile o nell'infrarosso vicino.

I progressi nella produzione di PIC e nella progettazione dei componenti all'interno dei PIC hanno spostato l'applicazione di dispositivi fotonici oltre la comunicazione in strumenti biomedici, elaborazione dei segnali, computing quantistico e un'ampia gamma di sensori. I progressi nella progettazione, simulazione e produzione continuano a spingere la tecnologia verso dimensioni più ridotte, maggiore capacità per chip e velocità e precisione più elevate. 

Mentre i circuiti elettronici integrati (IC) utilizzano il silicio come materiale dominante, la maggior parte dei chip fotonici è realizzata con una combinazione di cristalli elettro-ottici, tra cui nitruro di silicio (SiN), niobato di litio, arseniuro di gallio (GaAs) e fosfato di indio (InP). I componenti ottici in silicio possono essere creati utilizzando la produzione standard CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), nota come fotonica del silicio (SiPh), utilizzando materiali siliconici su isolatori. 

I circuiti che compongono un PIC variano notevolmente a seconda delle attività necessarie per un determinato dispositivo. Gli ingegneri organizzano i componenti fotonici in modo da modificare e misurare i segnali luminosi che attraversano il circuito. L'integrazione fotonica su un singolo chip offre soluzioni ad alte prestazioni in un formato di dimensioni ridotte ed efficiente dal punto di vista energetico. Il valore di un PIC aumenta con il numero di funzioni in un singolo chip e, di conseguenza, aumenta anche la complessità del circuito e la densità dei componenti. 

Ciascun componente può essere generalmente classificato come sorgente, portante, amplificatore, modulatore o rilevatore. I componenti possono anche essere raggruppati come attivi o passivi. I componenti passivi non hanno ingressi o uscite di elettricità mentre i componenti attivi hanno ingressi o uscite di elettricità rispettivamente per la modulazione o il rilevamento dei fotoni. Molti componenti avanzati sono realizzati combinando componenti più semplici. 

Componenti di I/O fotonici

Gli ingegneri hanno a disposizione diversi metodi per far entrare la luce in un PIC e introdurla nel circuito. L'accoppiatore a reticolo viene utilizzato per introdurre la luce perpendicolare nel chip. Gli accoppiatori a reticolo sono costituiti da una struttura periodica, simile a un reticolo di diffrazione, incisa nel chip fotonico. Non richiedono un allineamento preciso e possono essere utilizzati per introdurre luce da varie angolazioni rispetto al chip. In alternativa, la luce può essere inserita direttamente in una guida d'onda collegando un cavo in fibra ottica direttamente al chip, di solito da bordo a bordo o con accoppiatore diretto. Questo approccio richiede un allineamento preciso e un solido collegamento tra la sorgente luminosa e il PIC.

Laser

Le sorgenti di luce laser possono essere introdotte come componenti attivi in un PIC. I PIC basati su fosfuro di indio possono supportare l'aggiunta di componenti laser nel circuito fotonico sotto forma di diodo laser. 

Guida d'onda

Le guide d'onda sono l'interconnessione tra i componenti di un circuito fotonico. Si tratta di componenti a bassa perdita che trasportano il segnale ottico attraverso la rete ottica. Le guide d'onda possono essere planari, corrugate o a fessura. Le guide d'onda possono supportare segnali ottici in un ampio spettro.

Modulatore/variatore di fase

Una funzione comune in un circuito fotonico consiste nel modulare o nel variare la fase di un segnale ottico modificando l'indice di rifrazione del materiale del componente mediante un segnale elettrico. La modulazione nel silicio si ottiene più comunemente tramite l'effetto di dispersione del plasma, in cui le variazioni di densità della portante libera dovute all'ingresso di elettricità possono indurre variazioni nell'indice di rifrazione e modulare la luce. 

Accoppiatore e divisore

I segnali in un circuito fotonico vengono combinati in un accoppiatore che prende due o più guide d'onda di ingresso e combina il segnale in una singola uscita oppure un segnale multiplex può essere suddiviso in guide d'onda separate, spesso in base alla lunghezza d'onda.

Un esempio comune di separazione di un segnale multiplex è un dispositivo con reticolo della guida d'onda di matrice (AWG). Tale dispositivo utilizza reticoli di lunghezze diverse disposti in una matrice come multiplexer a divisione della lunghezza d'onda, interrompendo un segnale multiplex in entrata in singole lunghezze d'onda.

Filtro

Le strutture dell'interferometro, come l'interferometro Mach-Zehnder o il risonatore micro-ring, possono essere utilizzate per bloccare o far passare le lunghezze d'onda desiderate. I filtri possono essere classificati come filtri passa banda o elimina banda. 

Amplificatore ottico

Un'esigenza comune in un PIC è l'amplificazione di un segnale ottico senza modificarlo. Per aumentare l'ampiezza della luce vengono utilizzati vari componenti amplificatori, alcuni elettroottici e alcuni puramente ottici. 

Fotorilevatore

A un certo punto della progettazione di un circuito, è necessario misurare il segnale ottico trasmesso e modificato in un PIC. Un fotorilevatore converte l'energia del fotone in un segnale elettrico in base all'effetto fotoelettrico.  

I circuiti integrati fotonici presentano vantaggi simili ai circuiti integrati elettronici. Offrono la possibilità di combinare più componenti fotonici discreti in un unico chip, migliorando dimensioni, efficienza e prestazioni, e di ridurre al contempo i costi e consentire la produzione di massa. Alcune dei vantaggi più comuni sono:

• Consumo energetico ridotto: i circuiti fotonici sono intrinsecamente più efficienti dei circuiti elettronici. La resistenza nei circuiti elettrici comporta una maggiore generazione di calore e una maggiore perdita di forza del segnale rispetto ai PIC. 
• Riduzione dei costi: i PIC possono sfruttare i vantaggi in termini di costi della produzione di massa utilizzando tecnologie standard di produzione dei semiconduttori, incluse le risorse condivise delle fonderie. 
• Dimensioni ridotte: rispetto alla tecnologia fotonica discreta, i PIC offrono un ingombro significativamente inferiore per i dispositivi fotonici. Ne risultano vantaggi nella riduzione dei costi e dell'ingombro delle apparecchiature di comunicazione dati. L'utilizzo di PIC come sensori consente di montare facilmente piccoli dispositivi nelle apparecchiature o integrarli nei dispositivi indossabili. 
• Integrazione: la capacità di combinare circuiti integrati fotonici con microelettronica a base di silicio è uno dei vantaggi più interessanti. I circuiti elettronici e fotonici possono essere combinati nello stesso microchip monolitico o collegati all'interno di pacchetti optoelettronici avanzati utilizzando la tecnologia avanzata di packaging dei semiconduttori. 
• Affidabilità: rispetto alla tecnologia fotonica discreta, le potenziali modalità di guasto vengono ridotte o completamente eliminate quando i componenti sono integrati in un singolo chip. Inoltre, la precisione della produzione dei semiconduttori può controllare la variabilità di materiali e dimensioni. 

Gli ingegneri sviluppano costantemente nuove applicazioni per circuiti fotonici integrati. La loro capacità di generare, modificare e leggere i dati sotto forma di luce, insieme alle dimensioni ridotte, li rende ideali per un'ampia gamma di settori, tra cui la comunicazione, il computing, il rilevamento e l'elaborazione dati. 

Alcune delle applicazioni più comuni includono:

Comunicazioni ottiche

L'uso più comune dei PIC è in diversi tipi di comunicazione. I ricetrasmettitori basati su PIC collegano i computer in data center, ripetitori o persino più veicoli tramite la fedeltà della luce (Li-Fi). I PIC vengono utilizzati come amplificatori e multiplexer per la trasmissione dei dati attraverso reti in fibra ottica ad alta velocità o per collegare processori in applicazioni di elaborazione ad alte prestazioni. 

Lidar

Il rilevamento della distanza tramite luce laser (lidar) è una tecnologia di sensori che utilizza impulsi di luce laser per mappare la posizione degli oggetti fisici. I PIC sono fondamentali per produrre impulsi luminosi specifici inviati da un sensore lidar e per misurare con precisione il ritorno della luce. La crescita dei veicoli autonomi ha visto l'adozione su larga scala della tecnologia lidar. 

Misurazione delle proprietà

I dispositivi di rilevamento della luce che contengono PIC sono in grado di misurare temperatura, composizione chimica, posizione, velocità, accelerazione, pressione, vibrazioni e finitura della superficie con estrema precisione. Alcuni sensori utilizzano la luce per misurare le caratteristiche fisiche, mentre altri utilizzano i PIC con gli spettrometri. 

Lab-on-a-chip (LOC)

L'integrazione di componenti ottici su un chip può essere sfruttata nel rilevamento medico per miniaturizzare un laboratorio chimico in un unico package minuscolo contenente circuiti integrati elettronici e fotonici. La luce viene utilizzata per eseguire le misurazioni dei campioni liquidi di un paziente direttamente presso il punto di cura anziché inviare il campione a un laboratorio per l'analisi attraverso più dispositivi diagnostici. 

Computing quantistico

Il computing quantistico utilizza il comportamento quantistico dei fotoni e la tecnologia dei PIC è fondamentale per questa tecnologia in rapido sviluppo. I circuiti fotonici sono necessari per controllare e misurare gli stati quantistici fotonici. Vengono utilizzati anche nelle reti quantistiche tra più computer quantistici o per collegarli a computer digitali. 

Intelligenza artificiale e apprendimento automatico (AI/ML)

Anche i circuiti integrati fotonici svolgono un ruolo importante nella crescita esplosiva delle applicazioni di intelligenza artificiale. Attualmente, la principale applicazione è la comunicazione ottica all'interno o tra computer. I ricercatori stanno anche scoprendo che alcuni algoritmi di intelligenza artificiale, in particolare le reti neurali, sono particolarmente adatti per i PIC. Inoltre, l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico vengono utilizzati per progettare PIC da impiegare nelle applicazioni AI/ML, creando un virtuoso circolo tecnologico. 

I circuiti integrati fotonici sono dispositivi complessi che richiedono un'ingegneria rigorosa e dettagliata per la progettazione. Il comportamento dei fotoni, l'interazione dei fotoni con i materiali e la modifica della frequenza, dell'ampiezza e della fase di un segnale luminoso coinvolgono fisica complessa. Ciò rende la progettazione dei circuiti fotonici un'applicazione perfetta per la simulazione e consente agli ingegneri di prendere decisioni di progettazione e ottimizzare le prestazioni e la robustezza del progetto. 

Gli ingegneri possono iniziare con una simulazione a livello di circuito utilizzando uno strumento simile al software Ansys Lumerical INTERCONNECT. Gli ingegneri possono disporre circuiti integrati sia classici che con fotonica quantistica come componenti, eseguire simulazioni con u segnali di ingresso e osservare il segnale in qualsiasi punto del modello. Il software INTERCONNECT è compatibile con le librerie di dispositivi offerte dalle principali fonderie. Funziona con i principali strumenti e flussi di lavoro EDA (Electronic Design Automation) e la sua natura parametrica facilita l'esecuzione degli studi statistici.

Ogni componente nel circuito può anche essere simulato e ottimizzato utilizzando strumenti come il software Ansys Lumerical FDTD e il software Ansys Lumerical MODE. Il software FDTD è un risolutore elettromagnetico che modella accuratamente la fotonica dei componenti come oggetti 3D. Il software MODE viene utilizzato per osservare il comportamento dettagliato delle guide d'onda e degli accoppiatori. Una volta finalizzato un progetto, i risultati possono essere convertiti in rappresentazioni di librerie di modelli compatte in formati standard del settore da utilizzare negli strumenti a livello di sistema come il software INTERCONNECT. 

Gli ingegneri devono inoltre prendere in considerazione l'impatto della generazione di calore e del trasporto di carica sui componenti fotonici. Possono utilizzare uno strumento come il software Ansys Lumerical Multiphysics per misurare il modo in cui le variazioni di temperatura e le distribuzioni di carica causano la modifica dell'indice del materiale nella struttura e, di conseguenza, influiscono sulle prestazioni fotoniche.

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