La fotonica del silicio è uno sviluppo della fotonica tradizionale che consente di realizzare componenti optoelettronici integrati in modo più rapido, economico e integrato.
La fotonica sfrutta i segnali luminosi (fotoni) anziché le cariche elettriche per le attività di generazione, modulazione e trasmissione di segnali e si è progressivamente affermata come tecnologia in grado di superare i limiti dell’elettronica tradizionale nel rispondere alle crescenti richieste dell’ICT.
I componenti ottici di tipo tradizionale sono realizzati attraverso l’integrazione di una pluralità di elementi discreti che vengono integrati in un contenitore sigillato ermeticamente, per isolarli da ogni forma di contaminazione esterna.
Gli elevati costi associati a questo processo produttivo hanno reso la fotonica una tecnologia di nicchia utilizzata con successo in alcuni ambiti specifici come la realizzazione di reti metro e backbone ad alte prestazioni.
La fotonica del silicio consente di sfruttare la consolidata tecnologia Cmos (complementary metal-oxide semiconductor) per la produzione di componenti opto-elettronici, utilizzando le stesse apparecchiature e gli stessi wafer di silicio (sottili fette dalla forma circolare), utilizzati nell’industria dei semiconduttori.
Poiché il silicio è già utilizzato come substrato per la maggior parte dei circuiti integrati, diventa possibile creare dispositivi in cui i componenti ottici ed elettronici coesistono sul medesimo microchip.
La possibilità di combinare dispositivi fotonici ultra compatti e ad alte prestazioni con le capacità dei circuiti elettronici assume una portata rivoluzionaria per il mercato dei sistemi computazionali, della comunicazione e dei sensori.
Di fatto, consente di realizzare una nuova generazione di componenti ottici che possono essere prodotti in grandi volumi, a tempi e costi ridotti.
I “building block” della fotonica del silicio
I tre elementi fondamentali di questa evoluzione tecnologica sono: i laser, i modulatori ottici e le guide d’onda.
I laser sovrintendono alla produzione del segnale luminoso e rappresentano il componente più critico nella fotonica del silicio a causa della ridotta capacità del silicio di generare fotoni.
Sebbene la ricerca scientifica abbia permesso di produrre luce monocromatica sfruttando il silicio, tale processo rimane poco efficiente. Pertanto, sono stati presi in considerazione altri materiali, compiendo grandi sforzi di ricerca e sviluppo per renderli compatibili con il processo Cmos.
Va poi osservato che il processo di fabbricazione dei laser direttamente sui substrati di silicio (noto come integrazione monolitica) risulta particolarmente complesso. Di conseguenza, il mercato si è indirizzato anche verso tecniche ibride, in cui dispositivi non compatibili Cmos sono integrati con quelli compatibili (il più popolare è il wafer bonding).
I modulatori ottici servono per modulare il segnale in cui codificare le informazioni. Per farlo sfruttano la variazione dell’indice di rifrazione (modulatori a elettrorifrazione) o di assorbimento (modulatore a elettroassorbimento) nel silicio, indotta da un campo elettrico esterno oppure dalla variazione di densità delle cariche libere (effetto di dispersione del plasma).
Nei sistemi fotonici basati sul silicio le guide d’onda sono progettate per trasmettere la luce all’interno del chip minimizzando la dispersione.
La chiave per conseguire questo obiettivo è usare un materiale con un alto indice di rifrazione e un basso assorbimento di cariche libere.
Il primo materiale scelto è stato il silicio ma, col tempo, si è acquisita la capacità di utilizzare altri materiali compatibili Cmos, come il germanio e il nitruro di silicio, che hanno permesso di migliorare le prestazioni a livello di circuito ottico.
La strada maestra per aumentare la capacità di calcolo
Nel corso dell’ultimo decennio, l’incremento di velocità di computazione, anziché basarsi sull’aumento di potenza di calcolo per singola CPU, è stato conseguito mediante la parallelizzazione delle risorse di calcolo ovvero mettendo insieme più “core”.
Per aumentare la scalabilità del sistema è, invece, necessario migliorare le tecnologie di interconnessione verso la memoria e lo storage, che devono soddisfare i requisiti di elevata larghezza di banda e minima latenza al fine di riuscire a sfruttare in pieno la potenza di calcolo di ogni processore.
Negli ultimi anni, l’incremento di larghezza di banda di interconnessione non è stato al passo con l’aumento della potenza di elaborazione ottenuto attraverso il parallelismo e questo rende sempre più difficile rispondere alle esigenze computazionali delle applicazioni odierne.
Questo problema si manifesta anche a livello di data center e sta portando all’affermazione di architetture disaggregate in cui il calcolo e la memoria vengono considerati come “pool” distinti di risorse omogenee che operano in modo sinergico sulla rete di interconnessione.
La fotonica del silicio, abilitando elevate larghezza di banda con il sottosistema di memoria, bassa latenza e ridotto consumo energetico rappresenta la scelta migliore (forse l’unica) per rispondere a queste esigenze prestazionali ed eliminare i colli di bottiglia.
Una tecnologia irrinunciabile per il 5G
Le reti 5G mirano a un aumento di circa mille volte della capacità di traffico wireless per supportare un mondo sempre più smart e interconnesso. Rispetto alla precedente generazione, le reti 5G sono in grado di supportare velocità dati 100 volte superiori, mantenere una latenza inferiore a 1 ms, ridurre il consumo energetico e fornire connettività più affidabile.
Per riuscire a sfruttare queste innovazioni è, però, necessario attivare una trasformazione della rete di trasporto mobile: un compito a cui le tecnologie di rete ottiche di tipo tradizionale (SDH/Sonet, WDM, OTN e così via) risultano inadeguate per costo, consumo di potenza e livello di miniaturizzazione.
L’uso della fotonica del silicio, invece, permette di coniugare in modo efficace costi e prestazioni mantenendo un elevato livello di compatibilità con le componenti infrastrutturali precedenti.
Per esempio i ricetrasmettitori ottici basati sul silicio sono adatti per effettuare collegamenti a grande distanza tra i punti di ingresso alla rete e le antenne esterne, perché supportano velocità fino a 100 Gbps, permettono di coprire distanze fino a 10 km e resistono a un range molto ampio di temperatura (da -40 a +85 gradi centigradi).
Un’altra applicazione in cui la fotonica del silicio può fornire un contributo significativo è nell’abilitare funzioni di beamforming ottico a più alta efficienza e minor costo.
Nelle comunicazioni wireless questa tecnica consente di indirizzare le trasmissioni secondo differenti direzioni senza spostare fisicamente l’antenna, con una forte riduzione delle dimensioni e del peso delle antenne (in quanto non sono necessarie parti in movimento).
Si tratta di una funzionalità chiave nel 5G poiché la nuova rete dovrà fornire un’elevata produttività agli utenti, basandosi su una migliore efficienza nell’allocazione delle risorse e nel consumo energetico, con un uso più esteso dello spettro di frequenza.
