Il ridimensionamento dei circuiti sta iniziando a scontrarsi con un muro invalicabile: le leggi della fisica. L’aumento esponenziale del volume di dati sta entrando in rotta di collisione con i limiti fisici degli elettroni, costringendo i produttori di chip a guardare con rinnovato interesse alla fotonica al silicio (Silicon Photonics o SiPh) come unico modo per spostare efficacemente i dati dal punto di raccolta a quello di elaborazione e archiviazione.
Le leggi della fisica sono immutabili. In sintesi, esistono limiti alla velocità con cui un elettrone può viaggiare attraverso il rame. La velocità di un elettrone, sebbene elevata su scala macroscopica, incontra una resistenza significativa man mano che i percorsi si restringono, portando alla generazione di calore e a inefficienze energetiche. In una sezione di filo cilindrico di un mmq, ad esempio, con una corrente continua di 1 ampere la velocità media di spostamento è di 26,5 cm/h (6,36 metri in 24 ore). Decuplicando la corrente a 10 ampere e usando un filo di rame di 4 mmq, si arriva a una velocità di 66 cm/h. La fotonica al silicio aggira queste limitazioni elettriche sfruttando la rapidità dei fotoni, che viaggiano alla velocità della luce e non sono vincolati dalle proprietà resistive di materiali come il rame. A differenza degli elettroni, i fotoni non generano calore significativo, possono trasportare più dati grazie alla loro frequenza più alta e subiscono una minore degradazione del segnale.
La fotonica al silicio ha conquistato un ruolo cruciale nei data center, dove la trasmissione di dati ad alta larghezza di banda e ad alta efficienza energetica è fondamentale. Con la proliferazione dell'IA, del cloud computing e dei dispositivi IoT, la necessità di una gestione efficiente dei dati si intensifica. I circuiti integrati fotonici (PIC) aiutano a perpetuare le operazioni che richiedono velocità di trasporto dati più elevate con una minore domanda di energia. Queste innovazioni indicano un futuro sempre più luminoso per la fotonica al silicio negli scenari che richiedono una comunicazione dati rapida e voluminosa.
Oltre ai data center, la fotonica al silicio sta aprendo la strada a sviluppi in altre aree, come il lidar per automobili (essenziale per il rilevamento degli oggetti insieme a telecamere e radar) e sta rivoluzionando la tecnologia di proiezione ottica per sistemi di imaging avanzati, display per la realtà aumentata (AR) e proiezioni olografiche in ultra-alta definizione.
Il processo di fabbricazione incorpora le funzionalità ottiche dei PIC (generazione, modulazione e rilevamento della luce) su un substrato di silicio, permettendo a dispositivi ottici ed elettronici di coesistere sullo stesso chip. Un vantaggio chiave è che può essere fabbricata utilizzando la standard tecnologia di produzione CMOS, permettendo una produzione di massa economica.
Tuttavia, l'integrazione non è semplice: per integrare la luce su un chip bisogna generare un laser e bisogna mantenere un allineamento ottico. Il processo inizia con la creazione di dispositivi ottici passivi, come guide d'onda e accoppiatori. Creare guide d'onda richiede modelli e caratteristiche più sofisticati rispetto ai circuiti elettronici standard. La fotolitografia tradizionale, con le sue forme rettilinee, può portare a prestazioni non ottimali nelle curve, causando dispersione e perdita di segnale. Qui entrano in gioco le maschere curvilinee, che permettono di creare angoli più smussati e arrotondati, riducendo significativamente le perdite ottiche.
Per i PIC, si preferiscono i wafer di silicio su isolante (SOI), che includono un sottile strato di silicio in superficie per le guide d'onda e uno strato isolante di ossido sottostante che minimizza la perdita del segnale verso il substrato.
Il silicio utilizzato nella fabbricazione elettronica tradizionale manca di proprietà ottiche chiave. Il cuore del problema è la banda proibita indiretta del silicio, che ne ostacola la capacità di emettere luce in modo efficiente. Ciò rende necessaria la deposizione di materiali supplementari con banda proibita diretta, come i semiconduttori III-V (es. arseniuro di gallio) per i laser. Materiali come il germanio integrano il silicio nei fotorilevatori.
Inoltre, l'alto coefficiente termo-ottico del silicio fa sì che qualsiasi cambiamento di temperatura alteri significativamente il suo indice di rifrazione, portando a una deriva della lunghezza d'onda. Per la trasparenza ottica alle frequenze di telecomunicazione, viene utilizzato il nitruro di silicio.
Anche il drogaggio del silicio deve essere gestito con finezza. A differenza del drogaggio per scopi elettronici, l'obiettivo è controllare come il silicio interagisce con i fotoni, dettando l'efficienza della modulazione del segnale luminoso.
Le elevate esigenze del packaging ad alte prestazioni complicano ulteriormente la transizione. I componenti fotonici richiedono un allineamento preciso per mantenere l'integrità del segnale, spesso utilizzando tecniche di allineamento attivo, più lente e costose. La gestione termica è un altro problema cruciale, poiché i circuiti fotonici sono altamente sensibili ai cambiamenti di temperatura, necessitando di soluzioni di raffreddamento sofisticate.
Mentre per i circuiti elettronici packaging e assemblaggio sono una frazione del costo, per i PIC questo rapporto si capovolge, arrivando a rappresentare fino all'80% del costo totale del modulo.
Nonostante le sfide di cui si diceva, ci sono avanzamenti significativi. Uno di questi è lo sviluppo di guide d'onda a perdite ultra-basse, ottenute con nuovi materiali e tecniche di fabbricazione raffinate. Gli ingegneri stanno esplorando materiali come il nitruro di silicio (in uso da 50 anni) e l'Hydex, un vetro fotonico caratterizzato da un alto indice di rifrazione e perdite ottiche ultra-basse, prodotto attraverso un speciale processo.
Si stanno anche sviluppando guide d'onda in grado di gestire modi multipli e polarizzazioni della luce, integrando funzionalità di multiplazione di lunghezza d'onda (WDM) direttamente sul chip per aumentare la velocità di trasferimento dati.
Tuttavia, le opportunità di ricerca e avanzamento sono limitate dal numero di fonderie con la capacità di produrli. Le fonderie ad accesso aperto (open-access) sono cruciali per permettere a piccole aziende e istituzioni di ricerca di innovare.
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