Cos'è la fotonica del silicio?

La fotonica del silicio (SiPh) è una piattaforma per la costruzione di circuiti integrati fotonici (PIC) per la comunicazione ottica, il trasferimento dati ad alta velocità e dispositivi di rilevamento fotonici. Il materiale del substrato semiconduttore è un wafer di silicio su isolante (SOI). I processi di produzione dei semiconduttori standard vengono utilizzati per creare componenti su uno strato fotonico di silicio (Si), trasparente alla luce infrarossa. Attorno al silicio vengono collocati diossido di silicio (SiO₂) o aria per creare un'elevata differenza di indice di rifrazione, con conseguente passaggio della luce nei componenti attraverso il circuito con una perdita minima.

I circuiti integrati fotonici su chip sono molto compatti, consumano meno energia e funzionano a velocità più elevate (oltre 100 GB/s) rispetto ai dispositivi fotonici tradizionali, trasferendo le informazioni in modo più rapido ed efficiente rispetto ai circuiti elettrici. Questi vantaggi, uniti alla possibilità di utilizzare tecniche di produzione CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) standard, determinano il rapido aumento dei chip con fotonica del silicio.

A metà degli anni '80, i ricercatori hanno proposto di posizionare i circuiti progettati per i fotoni sullo stesso chip dei circuiti progettati per gli elettroni. I circuiti fotonici emettono, modulano, commutano, amplificano e rilevano la luce. I chip di silicio integrati optoelettronici monolitici erano rari fino allo sviluppo del modulatore al silicio nel 2005 e la larghezza di riga disponibile con i nuovi processi di fabbricazione divenne abbastanza sottile da consentire la realizzazione delle guide d'onda necessarie per i circuiti fotonici.

Proprio come i chip elettronici sono collegati a circuiti esterni con array o fili a griglia sferica, la luce viene trasmessa dentro e fuori dai chip fotonici utilizzando fibre ottiche. Grazie alla loro frequenza più elevata e alla maggiore larghezza di banda, queste interconnessioni ottiche possono trasferire maggiori quantità di dati a velocità più elevate rispetto alle interconnessioni elettriche.

Al circuito vengono quindi aggiunti i laser per creare la luce, insieme a fotorivelatori in un circuito ricevitore per la misurazione dell'energia, della frequenza e altre caratteristiche dei fotoni. L'elettricità viene trasmessa o estratta da ciascun dispositivo utilizzando le tradizionali tecniche dei circuiti integrati. I componenti elettronici per convertire il segnale luminoso in un segnale elettrico possono trovarsi sullo stesso chip o in componenti elettronici separati. Questi rivelatori ed emettitori sono combinati con dispositivi on-chip per modulare (ad esempio, modificare una caratteristica misurabile), commutare e amplificare la luce per svolgere funzioni critiche nella rete ottica, facilitare il trasferimento di dati ad alta velocità o misurare le proprietà fisiche su scala micro o macro.

Alcuni dei componenti fotonici più comuni utilizzati sono:

1. Guide d'onda: i "fili" in un circuito fotonico lungo i quali viaggiano i fotoni. La sezione trasversale, la rugosità della superficie e il raggio di curvatura di una guida d'onda possono influire notevolmente sulla luce che viaggia all'interno della guida d'onda stessa.
2. Modulatori ottici: componenti che modificano le caratteristiche di fase, ampiezza, polarizzazione, spaziatura e diffrazione di un fascio di luce per codificare le informazioni nel fascio
3. Sorgenti luminose: laser a semiconduttori di vari tipi che creano luce nel circuito. I laser non sono basati sul silicio, ma utilizzano invece semiconduttori composti III-V. Possono essere esterni o integrati nello stesso chip del circuito integrato fotonico.
4. Ricevitori: fotorivelatori che assorbono i fotoni e convertono le informazioni codificate nella luce in un segnale elettrico
5. Interruttori ottici: dispositivi che dirigono la luce usando la temperatura, l'interazione con altre sorgenti luminose e la micro cavitazione. Gli interruttori ottici possono essere molto più veloci degli interruttori meccanici, microelettromeccanici (MEMS) o elettrici.
6. Filtri: un'ampia varietà di componenti che utilizzano una gamma di proprietà fisiche della luce per lasciar passare la luce alla gamma di frequenza desiderata. La frequenza è impostata dalla geometria nei filtri passivi e dall'ingresso elettrico nei filtri attivi.
7. Accoppiatori: dispositivi che dividono o combinano segnali ottici

Le elevate prestazioni della fotonica del silicio hanno portato la tecnologia a sostituire la commutazione elettrica o elettromeccanica nelle comunicazioni e nelle interconnessioni elettriche in pacchetti e tra componenti di computer, nonché a controllare sensori ottici come il lidar. La tecnologia può potenziare le soluzioni esistenti fornendo una fase fotonica in un sistema altrimenti elettronico, come i ricetrasmettitori a chip singolo per fibre ottiche e applicazioni complesse di elaborazione del segnale in cui la fotonica offre prestazioni migliori.

L'utilizzo della luce per trasportare le informazioni presenta vantaggi significativi rispetto agli elettroni, alle onde radio o ai microonde. La maggiore frequenza della luce e le sue molteplici modalità (frequenza, ampiezza, fase, ecc.) consentono di trasmettere maggiori informazioni con un basso consumo energetico. Questi vantaggi si moltiplicano quando i dispositivi fotonici sono integrati nello stesso chip dell'elettronica necessaria per il loro funzionamento, consentendo l'uso di processi di produzione di massa a basso costo.

Poiché la tecnologia combina componenti ottici con i circuiti elettrici sullo stesso chip, i dispositivi optoelettronici possono essere confezionati in un fattore di forma più piccolo rispetto alle soluzioni ottiche ed elettriche separate. Poiché la luce viaggia attraverso le guide d'onda con perdite minime e grazie alle dimensioni microscopiche, i dispositivi fotonici in silicio consumano meno energia rispetto ai dispositivi ottici elettrici o autonomi.

Tuttavia, il vantaggio più significativo della fotonica del silicio è il suo utilizzo dei sistemi di produzione CMOS esistenti. I produttori di semiconduttori in tutto il mondo producono più di un trilione di chip di vario tipo all'anno. Le aziende sfruttano gli strumenti utilizzati per progettare, produrre, confezionare e testare l'hardware dei semiconduttori per la tecnologia della fotonica del silicio. Molte fonderie di semiconduttori stanno stabilendo standard per i progetti di integrazione fotonica, consentendo in tal modo uno sviluppo di nuovi prodotti più rapido, meno costoso e più robusto.

Anche con le attuali tecniche di produzione all'avanguardia disponibili nell'ecosistema della fotonica del silicio, vi sono ancora molte sfide da affrontare nello sviluppo delle applicazioni della tecnologia. Alcune sono dovute alla fisica fondamentale, altre sono create da limiti di produzione. Le aziende e le università stanno conducendo ricerche sperimentali e fondamentali per affrontare e superare queste sfide.

Sebbene l'uso dei wafer SOI semplifichi la produzione, il silicio limita la frequenza della luce utilizzata e il materiale non può essere utilizzato per realizzare laser e altri componenti necessari. Pertanto, i ricercatori stanno cercando modi per includere nuovi materiali come il nitruro di silicio (SiN) e il fosfuro di indio (InP) per ampliare la gamma di lunghezze d'onda. Altre ricerche si concentrano sull'integrazione di materiali III-V come l'arseniuro di gallio (GaAs) nel flusso di produzione per realizzare sorgenti luminose su chip.

Le perdite di energia nei circuiti fotonici sono un'altra sfida che i progettisti devono affrontare e controllare. Anche qualcosa di semplice come il raggio di curvatura di una guida d'onda ottica deve considerare le perdite come un compromesso rispetto alla compattezza. Allo stesso modo, decidere quale tipo di modulatori ottici o filtri utilizzare può essere difficile. Nel momento in cui le persone affrontano l'applicazione della fotonica del silicio per il rilevamento, devono superare i limiti di sensibilità e miniaturizzazione.

Sebbene inferiore a quello di altre alternative, il costo dei dispositivi che sfruttano il fosfuro di silicio è ancora troppo elevato per l'utilizzo in massa. Attualmente, milioni di chip vengono realizzati utilizzando questa tecnologia. I componenti fotonici dovranno diventare miliardi di chip all'anno per ridurre i costi e vedere un'adozione diffusa in applicazioni come data center e reti di telecomunicazioni.

Le esigenze del sistema ottico devono inoltre essere bilanciate con quelle del lato elettronico dell'optoelettronica. Se i componenti elettronici sono sullo stesso chip, l'approccio di produzione deve bilanciare le esigenze di ciascun tipo di elaborazione del segnale. Oppure, se si utilizzano componenti elettronici separati, per connetterli vengono solitamente utilizzate tecniche avanzate di confezionamento dei semiconduttori. In entrambi gli approcci, la generazione di calore nell'elettronica può influire sulla fotonica.

La compattezza, i costi relativamente bassi, l'efficienza energetica e la bassa latenza delle soluzioni ottiche create con fotonica del silicio le rendono applicabili per una gamma crescente di applicazioni. L'uso più comune è nel trasferimento di dati ad alta velocità tramite fibra ottica. Aziende come Intel si stanno concentrando sul miglioramento delle funzionalità dei chip per ricetrasmettitori ottici per renderli disponibili per una più ampia gamma di applicazioni. Molti dei chip sono utilizzati nei router ottici e nei processori di segnale che collegano in rete i computer.

Il networking ottico tra nodi e interconnessioni ottiche all'interno di un determinato nodo può aumentare significativamente la velocità di calcolo per applicazioni ad alte prestazioni come l'intelligenza artificiale, l'estrazione di bitcoin e i gemelli digitali. Man mano che la velocità di calcolo dei processori aumenta, la larghezza di banda per il trasferimento dei dati diventa un collo di bottiglia, che può essere alleviato con la fotonica del silicio.

Alcune applicazioni emergenti che sfruttano la tecnologia SiPh per i componenti fotonici includono:

• Sensori fotonici: i sensori SiPh sono in grado di misurare piccole variazioni nell'indice di rifrazione causate dal passaggio della luce attraverso un campione. Queste modifiche possono identificare biomarcatori specifici nei campioni biologici o ambientali.
• Lidar: i dispositivi Light Detection and Ranging (Rilevamento della distanza tramite luce laser) emettono un impulso di luce e misurano il tempo di ritorno. Le soluzioni lidar basate sulla fotonica del silicio sono più compatte, consumano meno energia e sono meno costose da produrre rispetto ai sistemi realizzati con componenti discreti.
• Computing quantistico e networking: i computer quantistici utilizzano i fotoni per eseguire i calcoli. La gestione della luce all'interno e tra i computer quantistici trae vantaggio dalla velocità, dalla precisione e dal basso costo dei circuiti integrati fotonici.

Sin dalla loro introduzione negli anni '80, il ruolo dei componenti basati sulla fotonica del silicio è cresciuto dal supporto delle funzionalità di base per le comunicazioni in fibra ottica nel campo delle telecomunicazioni. Nel corso del tempo, la fotonica del silicio ha trovato un impiego sempre maggiore, passando all'informatica e ora ai sensori ottici. I produttori offrono fonderie per aziende fabless, portando la tecnologia a una gamma più ampia di applicazioni. Grazie all'aumento delle capacità di produzione e alla crescente gamma di applicazioni, gli strumenti di progettazione e simulazione sono stati migliorati per supportare progetti più complessi ed efficienti.

La prossima generazione di dispositivi monolitici, tra cui circuiti integrati elettronici e fotonici, trarrà vantaggio da metodi di produzione ibridi che introducono materiali oltre il silicio nei dispositivi. Utilizzeranno inoltre metodi di produzione più precisi, dimensioni ridotte e metodi di packaging avanzati per i semiconduttori. Queste modifiche aumenteranno la larghezza di banda e la velocità di trasferimento dei dati nelle applicazioni di datacom e computing ad alte prestazioni e, potenzialmente, rivoluzioneranno la tecnologia del rilevamento ottico.

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