Progettazione di dispositivi ottici integrati
basati su silicio mediante il metodo
degli elementi finiti
Paolo Pintus
XXIII Concorso Nazionale “Ing. Giuseppe Pedriali”
Forlì 29 Maggio 2013
Motivazioni
• Perché l’ottica e la fotonica sono importanti?
• Perché la Silicon-photonics?
• Sistemi di comunicazione ottici
– Un po’ di fisica delle onde
– Un sistema di comunicazione
– Sistemi WDM e musica
• Risuonatori ad anello e circuiti ottici integrati
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Cosa succede in internet in un minuto?
Source: http://www.intel.com/content/www/us/en/communications/internet-minute-infographic.html
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Vogliamo tutti comunicare
La tecnologia cambia
il nostro modo di
comunicare
Elezione papa Benedetto XVI
• La trasmissione dati di
dispositivi mobili è cresciuta
del 70% nel 2012.
• Nel 2013, il numero di
dispositivi mobili connessi
ad internet supererà la
popolazione mondiale.
• L’uso degli smartphone è
cresciuto dell’81% lo scorso
anno.
Elezione papa Francesco
Source “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile
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Superiore Sant’Anna
Data Traffic Forecast Update, 2012–2017”,
Richiesta di banda
Il crescente numero di dispositivi connessi implica un
costante aumento di dati trasmessi
Source: http://www.cisco.com/
La banda di trasmissione è indice di quanti dati possiamo
trasmettere. Nei prossimi anni vorremo trasmettere sempre
più dati (immagini, video, musica, etc…)
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Consumo di potenza
Traffico Internet e consumo di potenza dei routers in Giappone
L’aumento del traffico internet comporta un aumento dei consumi
per il funzionamento dei server e della rete.
E’ necessario ricercare soluzioni energeticamente efficienti!
Network Photonics Research Center (Japan)
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http://unit.aist.go.jp/nprc/ci/index.html
Perché l’ottica e la fotonica sono importanti?
L’ottica e la fotonica studiano la
propagazione della luce ed i suoi
componenti fondamentali: i fotoni.
La luce può essere utilizzata per
trasportare informazioni, che possono
viaggiare per lunghe distanze come
avviene nelle fibre ottiche.
Le trasmissioni in fibra ottica garantiscono
–
–
–
–
elevata velocità di trasmissione dati (la banda larga)
minori problemi di interferenza elettromagnetica
basse perdite di propagazione su lunghe distanze
alta efficienza energetica (“green internet”, passive optical network)
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Problemi dei data center
• Densità di interconnessioni
• Densità di potenza termica da dissipare
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Utilizzo dell’ottica integrata
Collegamenti sulle cortissime distanze
tipiche dei data center:
–
–
–
–
minore dissipazione di calore
ridotte dimensioni
bassi costi grazie all’integrazione
integrazione elettronica/fotonica
Source: Optoelectronic Group,
Univ. of California Santa Barbara.
2008
Source: A.F. Benner, "Cost-Effective Optics: Enabling the Exascale Roadmap,“17th IEEE Symposium
© 2013 Scuola Superiore Sant’Anna
on High Performance Interconnects, 2009. HOTI 2009, pp.133-137,
25-27 Agosto 2009
Difficoltà dell’integrazione
Elettronica integrata vs ottica integrata
Circuiti elettronici integrati
Circuiti ottici integrati
Principali dispositivi
Pricipali dispositivi:
Transistor
Materiali più usati
Silicio
Guide d’onda e divisori di potenza
Amplificatori ottici
Modulatori e demodulatori
Filtri
Laser
ricevitori
AWG
…
Materiali più usati
Niobato di Litio
Ossido di Silicio
Silicio
Polimeri
Arseniuro di Gallio
Fosfuro d’Indio
Erbio ed Itterbio
…
Silicon-Photonics:
Bassi costi, elevata integrazione, compatibile con la microelettronica.
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Sistemi di comunicazione ottici
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Un semplice sistema di comunicazione
I dati che si vogliono
trasmettere vengono convertiti
in impulsi luminosi e trasmessi
lungo le fibre ottiche.
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Sistemi WDM e musica
Nelle fibre ottiche i segnali viaggiano a diversa lunghezza d’onda
(multiplazione a divisione di lunghezza d’onda o WDM)
Trasmettere un segnale WDM è
come suonare uno spartito
Tante note suonano insieme così
come tanti segnali viaggiano insieme
Differenti note
Durata delle note
Differenti lunghezze d’onda
Durata dei bit
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Risuonatore ad anello
I risuonatori ad anello sono dei componenti integrati molto
importanti che possono essere utilizzati per realizzare filtri, laser,
modulatori e demodulatori, commutatori, etc…
micro-disk
Ring resonator
Ring-laser
I risuonatori ad anello possono
essere accordati come le corde di
una chitarra per “vibrare” (risuonare)
alla “nota” (lunghezza d’onda)
desiderata.
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Risuonatori ad anello e circuiti ottici integrati
“Le nostre orecchie”
Stabiliscono la
durata delle note
I laser sono come
“le corde della
chitarra”
Gli anelli sono
“accordati”
per risuonare e
indirizzare la
luce
S. Feng et al.: Silicon photonics: from
a microresonator perspective, Laser
Photonics Rev., 1–33 (2011)
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Progettazione di dispositivi ottici
Le aree di ricerca del mio lavoro sono principalmente due:
Analisi
elettromagnetica
dei dispositivi
Progettazione di
risuonatori ad anello e
guide d’onda in silicio
Un modello matematico accurato ed un codice di simulazione
veloce sono strumenti importanti per la progettazione dei
dispositivi ottici integrati.
Il Metodo degli Elementi Finiti permette di ottenere un’elevata
precisione.
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Il metodo degli elementi finiti:
guide d’onda e risuonatori ad anello
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Metodo degli elementi finiti
Emodinamica
Aerodinamica
Modellazione dei tessuti
Ingegneria navale.
Alinghi: America's
Cup Winner 03, 09
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Metodo degli elementi finiti
ARROW waveguide
Ridge waveguide
Slot waveguide
Er-implanted micro-disk
laser made. CALTECH
Ring resonator
Silica micro-disk
Armani et al. Nature 03
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Laser e amplificatori ottici integrati
I laser sono le sorgenti della luce.
Usando esclusivamente il silicio
non è possibile realizzare laser e
amplificatori ottici.
E’ necessario usare altri materiali
(es. Er, Ge, InP, etc..)
L’uso degli elementi finiti è importante per progettare questi dispositivi
Geometria
Elementi Finiti
Campo elettromagnetico
P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Low Threshold Pump Power and High Integration in
2013pp.
Scuola
Superiore Sant’Anna
Al2O3:Er3+ Slot Waveguide Laser on SOI”, IEEE Phot. Tech. Lett., vol.© 22,
1428-1430,
2010.
Risuonatori ad anello
I risuonatori ad anello possono
essere usati per realizzare dei
filtri.
Gli anelli risuonano ad una
sola “nota” e la filtrano dal
resto della musica.
Accordando l’anello possiamo
sintonizzarci su una lunghezza
d’onda ed ascoltare il messaggio
che essa trasporta così come
scegliamo di ascoltare un canale
alla radio
© 2013 Scuola Superiore Sant’Anna
Isolatori ottici
Gli isolatori ottici permettono
alla luce di passare solo in
una direzione.
Si comportano come i vetri
riflettenti o “vetri spia”: da
dentro possiamo vedere fuori
ma non viceversa.
Gli isolatori ottici sono molto importanti
in ottica integrata per evitare le retroriflessioni.
M.-C. Tien, T. Mizumoto, P. Pintus, H. Kroemer, and J. E. Bowers, “Silicon ring isolators with bonded
© 2013
Superiore Sant’Anna
nonreciprocal magneto-optic garnets”, Optics Express, vol. 19, no. 12,
ppScuola
11740-11745,
2011
Bidirectional Optical Amplifier (BOA)
Brevetto Italiano RA2013A000001, “Dispositivo Ottico”, Inventori: P. Pintus, F. Di Pasquale,
J.E. Bowers. Filing date: 8 Gennaio 2013.
P. Pintus, N. Andriolli, F. Di Pasquale, J.E. Bowers, “Integrated Cross-talk Free Active Optical Link for
Bidirectional Interleaved Communications”, Optical Interconnects, 5 - 8 May 2013, Santa Fe, USA.
Attività in collaborazione con Prof. John Bowers, University of California Santa Barbara, USA.
© 2013 Scuola Superiore Sant’Anna
FIRB: MINOS
MIcro- and NanO-structured photonic devices based on strained
silicon for ultrafast Switching in datacom applications
© 2013 Scuola Superiore Sant’Anna
FP7 – STREP Proposal: IRIS
Integrated Reconfigurable silicon photonic based optical Switch
Tunable Transponders
(tunable wavelength)
European Patent Application - P36731, “Optical Routing apparatus and method”.
© 2013date:
Scuola8Superiore
Inventori: F. Testa, P. Pintus, F. Di Pasquale, A. D'Errico. Filing
GiugnoSant’Anna
2012.
FP7 – STREP Proposal: IRIS
Integrated Reconfigurable silicon photonic based optical Switch
Dispositivo ottico interamente realizzato in silicio
Integrazione, energeticamente efficiente, bassi costi, basato
sul tuning termico tuned micro-ring.
8 Partners, 5 Paesi
2 partners industriali, 6 Centri di ricerca
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Lista delle pubblicazioni
Riviste scientifiche
1. S. Sher, P.Pintus, F. Di Pasquale, “Numerical study of novel high-index-contrast Er:LiNbO3 photonic wire lasers
optically pumped at 980nm,” Applied Optics, (accepted)
2. G. Kurczveil, P. Pintus, M.J.R. Heck, e J.D. Peters, and J.E. Bowers, “Characterization of Insertion Loss and
Back Reflection in Passive Hybrid Silicon Tapers,” IEEE Photonics Journal, vol. 5, pp. 6600410, Aprile 2013.
3. P. Pintus, F. Di Pasquale, e J. E. Bowers, “Integrated TE and TM optical circulators on ultra-low-loss silicon nitride
platform,” Optics Express, vol. 21, pp.5041-5052, Febbraio 2013.
4. P. Pintus, F. Di Pasquale, e J. E. Bowers, "Design of TE ring isolators for ultra low loss Si3N4 waveguides based
on the finite element method", Optics Letters, vol. 36, pp. 4599-4601, Dicembre 2011.
5. P. Pintus, M.-C. Tien, e J. E. Bowers, “Design of magneto-optical ring isolator on SOI based on the finite element
method”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, pp. 1670-1672, Novembre 2011.
6. P. Pintus e M. Petrou, “Relational space classification for malaria diagnosis”, Pattern Analalysis and Application,
vol. 14, pp. 261-272, 2011.
7. M.-C. Tien, T. Mizumoto, P. Pintus, H. Kromer, e J. E. Bowers, “Silicon ring isolators with bonded nonreciprocal
magneto-optic garnets”, Optics Express, vol. 19, pp 11740-11745, Giugno 2011.
8. P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Integrated 2.8 µm Laser Source in Al2O3:Er3+ Slot Waveguide on SOI”,
IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 29, pp. 1206-1212, Aprile 2011.
9. S. M. Sher, P. Pintus, F. Di Pasquale, M. Bianconi, G. B. Montanari, P. De Nicola, S. Sugliani e G. Prati, “Design
of 980nm-Pumped Waveguide Laser for Continuous Wave Operation in Ion Implanted Er:LiNbO3”, IEEE Journal
of Quantum Electronics, vol. 47 , pp. 526-533, Aprile 2011.
10. P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Low Threshold Pump Power and High Integration in Al2O3:Er3+ Slot
Waveguide Laser on SOI”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, pp. 1428-1430, 1 Ottobre 2010.
11. C. van der Mee, P. Contu, e P. Pintus, “One-dimensional Photonic Crystal Design”, Journal of Quantitative
Spectroscopy and Radiative Transfer, vol. 111, pp. 214-225, 2010.
12. C. van der Mee, P. Pintus, S.Seatzu, “Mathematical Principles in Photonic Crystals”, Rivista Matematica
dell’Università di Parma, (7) 8 (2008), pp 99-137.
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Lista delle pubblicazioni
Brevetti
1. Brevetto Italiano RA2013A000001, “Dispositivo Ottico”, Inventori: P. Pintus, F. Di Pasquale, J.E. Bowers. Filing
date: 8 Gennaio 2013.
2. European Patent Application - P36731, “Optical Routing apparatus and method”. Inventori: F. Testa, P. Pintus, F.
Di Pasquale, A. D'Errico. Filing date: 8 Giugno 2012.
Conferenze
1. P. Contu, P. Pintus, F. Testa, A. D’Errico, F. Di Pasquale, “Analysis and Design of Micro-ring Based Switch
Elements in Silicon Photonics for Optical Interconnection”, IEEE Optical Interconnects Conf., Santa Fe, New
Mexico, USA, 5-8 Maggio 2013.
2. P. Pintus, N. Andriolli, F. Di Pasquale, and J.E. Bowers, “Integrated Bidirectional Optical Amplifier for CrosstalkFree WDM Communication”, IEEE Optical Interconnects Conf., Santa Fe, New Mexico, USA, 5-8 Magg. 2013.
3. P. Pintus, P. Contu, N. Andriolli, I. Cerutti and P. Raponi, “Modeling a Multi Microring (MMR) Network-on-Chip”,
IEEE Optical Interconnects Conference, Santa Fe, New Mexico, USA, 5-8 Maggio 2013.
4. P. Pintus, “Design of silicon based integrated optical devices using the finite element method”, Workshop SIMAI
Giovani 2013, Società Italiana di Matematica Applicata e Industriale, Roma, Italia, 11 Marzo 2013 (invited).
5. P. Pintus, “Full vectorial finite element method for integrated optical device design”, XI Convegno biennale SIMAI
2012, Società Italiana di Matematica Applicata e Industriale, Torino, Italia, 25-28 Giugno 2012 (invited).
6. P. Pintus and F. Di Pasquale, “Modelling of ring resonators with magneto-optic materials using the finite element
method,” Scientific Computing 2011 (SC2011), S. Margherita di Pula, Cagliari, Italia, 10-14 Ottobre, 2011.
7. P. Pintus, M. J. R. Heck, G. Kurczveil, e John E. Bowers, “Low-loss Hybrid Silicon Tapers”, IEEE International
Conf. on Group IV Photonics, The 8th International Conf. on Group IV Photonics, London, UK, 14-16 Sett. 2011
8. R. Agarwal, R. Gangopadhyay, G. Prati, S. Gupta e P.Pintus, “Optimally Apodized Ring-resonator Filter for DPSK
Demodulation”, The 4th International Conference on Computers and Devices for Communication (CODEC-09),
Institute of Radio Physics and Electronics, University of Calcutta, Calcutta, India, 14 - 16 Dicembre 2009.
9. P. Pintus, S. Faralli, V. Toccafondo, F. Di Pasquale, A. D’Errico, F. Testa, “Design of Optically Pumped Er3+
Doped Silicon-On-Insulator Slot Waveguide Lasers”, The 22nd Annual Meeting IEEE Photonics Society (LEOS
2009), Belek-Antalya, Turchia, 4-8 Ottobre 2009.
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Grazie per l’attenzione!
email: [email protected]
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