La scoperta è frutto di una collaborazione tra gruppi di ricerca dell’Università di Pavia e dell’Optoelectronics Research Centre della University of Southampton.
Negli ultimi anni la sempre più capillare diffusione di dispositivi mobili, di servizi “cloud”, di servizi streaming ad alta definizione e dell’IoT (“internet of things”) sta producendo un aumento significativo dei volumi di traffico sulla rete Internet, causando una rivoluzione nel mondo delle telecomunicazioni a banda larga. Per soddisfare le attuali e future richieste di capacità di trasmissione le reti fotoniche appaiono come la soluzione più promettente e sono destinate a svolgere un ruolo fondamentale anche nelle comnunicazioni su breve distanza, e non solo per quelle a lunga distanza dove già sono la piattaforma di riferimento. Una tecnologia su cui si stanno concentrando sempre più sforzi e investimenti, sia da parte del mondo accademico che di quello industriale (con aziende come Intel, Cisco, ST Microelectronics Nokia, Microsoft, Facebook eHuawei), è la cosiddetta “Silicon Photonics” (Fotonica del Silicio).
L’idea di base è quella di realizzare micro-chip integrati in silicio che oltre a gestire i classici segnali elettronici, costituiti da elettroni che si muovono all’interno di materiali conduttori, riescano anche a processare e utilizzare segnali ottici costituiti da pacchetti di fotoni confinati all’interno di “guide ottiche” sub-micrometriche. Riuscire a realizzare i componenti ottici necessari utilizzando i collaudati processi dell’industria microelettronica renderebbe infatti possibile fabbricare dispositivi ottici ad alte prestazioni in grandissimi volumi di produzione e a basso costo. Uno dei principali problemi della Silicon Photonics è la bassa efficienza di connessione tra i micro-chip ottici e le fibre ottiche utilizzate nei sistemi di telecomunicazione. Nonostante le ridotte dimensioni delle fibre ottiche, circa dello spessore di un capello, per riuscire a trasportare la luce all’interno dei microchip ottici è necessario infatti concentrare il flusso di fotoni su una superficie oltre 700 volte più piccola, limitandone al massimo la perdita. Indicativamente questo equivale a tentare di versare acqua da una bottiglia all’interno di un classico ago da siringa.
Una delle possibili strategie che consente di realizzare questa funzione è basata sulla realizzazione di “reticoli di accoppiamento” (in inglese “grating couplers”), che grazie a una opportuna corrugazione sub-micrometrica della superficie del chip permettono di re-indirizzare i fotoni dalla fibra ottica al micro-chip e viceversa. Tuttavia queste strutture mostrano tipicamente delle perdite di fotoni (e quindi di potenza ottica) spesso vicine al 40%, che ne limitano fortemente l’utilizzo. Lo studio* realizzato da un gruppo di ricercatori, in larga parte italiani, e recentemente pubblicato sulla rivista Scientific Reports (di Nature Research), segna un importante miglioramento nella progettazione di questi componenti. L’idea alla base del lavoro consiste nella realizzazione di una corrugazione non-periodica, le cui dimensioni variano tra i 60 ed i 400 nm (1 nm = 1 milionesimo di millimetro) seguendo la così detta equazione di Bragg. In questo modo le perdite di fotoni vengono ridotte a meno del 20% senza dover ricorrere a strutture che siano incompatibili con le tecniche standard CMOS utilizzate in microelettronica, definendo così un nuovo valore di riferimento nello sviluppo di interfacce tra fibre e micro-chip ottici, permettendo lo sviluppo e la diffusione di nuovi prodotti e servizi per le future reti a banda larga.
La collaborazione tra i due atenei è stata resa possibile anche grazie al Bando Mobilità per dottorandi della Università degli Studi di Pavia, che ha permesso a Riccardo Marchetti (primo autore dell’articolo) di trascorrere sei mesi a Southampton per svolgere le ricerche necessarie sotto la guida di Cosimo Lacava e Periklis Petropoulos.
*“High-efficiency grating-couplers: demonstration of a new design strategy”
Riccardo Marchetti1, Cosimo Lacava2,*, Ali Khokhar2, Xia Chen2, Ilaria Cristiani1, David J. Richardson2, Graham T. Reed2, Periklis Petropoulos2, Paolo Minzioni1
- University of Pavia, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Pavia, Italy
- University of Southampton, Optoelectronics Research Centre, SO17 1BJ, Southampton, United Kingdom
DOI: 10.1038/s41598-017-16505-z (2017).
Disponibile all’indirizzo www.nature.com/articles/s41598-017-16505-z
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