Alfredo De Rossi, Thales Research and Technology, France
Mercoledì 4 giugno 2014
Polo scientifico e Tecnologico, Università di Ferrara, Aula 9, ore 11.00-13.30
Parte 1. Dall'ottica integrata alla nano-fotonica: fisica, tecnologia ed innovazione.
L'ottica integrata nasce alla fine degli anni '60, quando l'integrazione di un gran numero di componenti
elettronici su chip è ormai un processo industriale consolidato ed i primi microprocessori sono già in
gestazione. La proposta di S.E. Miller dei Bell Labs è semplice: utilizzare le tecnologie di fabbricazione
della microelettronica per realizzare dei "circuiti", con cui effettuare operazioni su un segnale a portante
ottica.
L'industria della fotonica continua tuttavia a svilupparsi intorno a dispositivi relativamente semplici
(modulatori, fotodiodi, sorgenti laser) e connessi tramite fibre ottiche. Il "decollo" della fotonica
integrata è recente. Nel 2006, Infinera, un'impresa fondata poco prima, presenta un chip capace di
ricevere e trasmettere dati a 100 Gbit/s, una funzione fino ad allora realizzata riunendo decine di
componenti elementari. Non solo le dimensioni ma anche il consumo di energia ne risultano ridotti
drasticamente. Il consumo di energia nelle comunicazioni e nel trattamento dei dati connessi, ad
esempio, all’utilizzo di internet è ormai considerato con grande preoccupazione. In tale contesto,
l'integrazione in fotonica appare indispensabile. La ricerca nel campo dell'ottica integrata è
letteralmente "esplosa" negli ultimi anni. Le "photonic foundries" propongono ormai la fabbricazione
standardizzata di circuiti fotonici a partire da disegni realizzate dai "clienti", in stretta analogia con il
modello della microelettronica.
In questo seminario fornirò una sintesi del progresso della fotonica integrata e della sua probabile
evoluzione verso una sempre maggiore densità di integrazione. Presenterò inoltre qualche esempio di
circuito fotonico e ne discuterò il funzionamento.
La "fontana luminosa", invenzione di
Daniel Colladon, presentata nel 1842
Il primo esempio di guida ottica.
Parte 2. Cristalli fotonici
Nel 1987, E. Yablonovitch e S. John proposero, indipendentemente, strutture artificiali capaci di
modificare radicalmente le proprietà dei campi elettromagnetici. Questi due scienziati formularono
l'ipotesi che strutture dielettriche, periodiche sulla stessa scala spaziale della lunghezza d'onda della
radiazione luminosa che le attraversa, possano fare apparire ai fotoni delle "bande proibite", in analogia
con le proprietà elettroniche dei cristalli. Tali strutture furono definite "cristalli fotonici". Le implicazioni
più importanti sono la modifica del tasso di emissione spontanea, associato al decadimento degli stati
elettronici eccitati, ed una forte localizzazione spaziale del campo elettromagnetico, indotta da lievi
perturbazioni della struttura ordinata.
Una volta superate le notevoli difficoltà tecnologiche, inerenti alla fabbricazione di strutture
rigorosamente periodiche su scale sub-micrometriche, la ricerca sui cristalli fotonici ha condotto ben
oltre la conferma delle ipotesi formulate da Yablonovic e John. La ricerca fondamentale intorno
all'interazione materia-energia ha evidenziato il fenomeno predetto da Purcell (modifica dell'emissione
spontanea) ed il regime di accoppiamento forte, in cui un "atomo" scambia in modo coerente e
periodico l'energia con un modo del campo elettromagnetico, invece di decadere irreversibilmente.
Oltre a costituire un terreno fertilissimo per l'esplorazione di nuovi fenomeni, i cristalli fotonici sono
stati utilizzati per realizzare funzioni utili al trattamento del segnale ottico.
In questo seminario illustrerò il principio di funzionamento di un cristallo fotonico e mostrerò gli aspetti
salienti delle tecniche di fabbricazione di questi componenti. Inoltre, presenterò qualche esperimento
fondamentale alla comprensione del funzionamento dei cristalli fotonici.
I cristalli fotonici sono strutture dielettriche
periodiche su scale sub-micrometriche.
Ciò conferisce a tali materiali delle proprietà
ottiche singolari.
Le ali di alcune farfalle devono il loro colore
non alla pigmentazione, ma alla particolare
conformazione dei loro tessuti.
