La Fotonica Integrata: una risorsa strategica per i settori industriali ad alto tasso di innovazione tecnologica Fotonica integrata è il termine con il quale ci si riferisce genericamente a circuiti integrati (PIC, Photonic Integrated Circuits) di nuova concezione in grado di produrre, propagare e manipolare segnali ottici e che possono essere impiegati per molteplici applicazioni, dalla sensoristica, alla medicina e alle telecomunicazioni, per citarne solo le più significative. I circuiti fotonici integrati vengono utilizzati per realizzare in dimensioni estremamente ridotte sia apparati e sistemi già esistenti e che impiegano diversi singoli dispositivi fotonici collegati fra loro (ad esempio laser, fotodiodi, amplificatori ottici, ecc…), sia sistemi di nuova concezione, ottenendo in maniera simile ai circuiti elettronici integrati notevoli risparmi in termini di consumo energetico e ingombro. Molto spesso inoltre utilizzando sistemi ottici e integrati è possibile ottenere prestazioni di sistema che non sarebbero raggiungibili con le tecnologie elettroniche. Alla luce delle applicazioni e degli sviluppi previsti, la fotonica integrata è considerata universalmente una delle tecnologia chiave per lo sviluppo futuro di numerosi settori industriali moderni ad alto valore aggiunto, tra questi in primo luogo l’ICT (Information and Communication Technology), l’industria biomedicale e l’industria della difesa e aerospaziale. La ricerca in questo campo è dunque prioritaria nei programmi di ricerca sia industriali che pubblici delle principali nazioni avanzate. Tra queste, prevedono numerosi schemi di finanziamento e supporto a progetti innovativi nel campo della fotonica integrata sia gli Stati Uniti con programmi della NSF (National Science Foundation) e della DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), sia l’Unione Europea nel nuovo programma pluriennale Horizon 2020. L’Europa ha identificato la fotonica come una della 5 tecnologie-chiave del 21° secolo, insieme a micro e nanoelettronica, materiali avanzati, biotecnologie e nanotecnologie, per cambiare il quotidiano dei suoi cittadini e sviluppare la propria competitività a livello globale. I Paesi asiatici quali Giappone, Corea del Sud e Cina investono nella ricerca nella fotonica integrata per mezzo di consistenti programmi sostenuti dalle preposte agenzie governative. In parallelo la ricerca industriale è analogamente attiva in tutte le grandi società leader nel campo tecnologico. La ricerca e sviluppo nell’ambito dell’industria per la produzione di apparati ad alta tecnologia segue solitamente un percorso di prototipazione interna, con una crescente tendenza al coinvolgimento di soggetti qualificati esterni che lavorino su commesse di ricerca e con forte interazione aziendale. Nel caso dell’evoluzione delle soluzioni verso l’integrazione fotonica circuitale, è per le aziende conveniente privilegiare il rapporto in fase di prototipazione con un centro di competenza qualificato piuttosto che operare forti investimenti individuali su tecnologie complesse che non rientrano nel proprio know-how. La produzione verrà poi affidata ad altre aziende in grado di produrre i quantitativi necessari con le specifiche industriali. Come già accennato, l’ICT e in particolare le infrastrutture di comunicazione in fibra ottica sono, tra i vari settori che possono trarre beneficio dall’introduzione delle nuove tecnologie fotoniche, uno dei bacini principali. I sistemi di comunicazione in fibra ottica sono le infrastrutture che consentono il funzionamento di tutte le comunicazioni moderne includendo quelle telefoniche fisse/mobili e quelle di trasmissione dati/internet. L’interconnessione tra i computer della rete Internet, l’accesso domestico alla rete e i collegamenti telefonici condividono infatti una comune infrastruttura di rete in fibra ottica interconnessa con estese reti regionali, nazionali e mondiali e in cui il traffico totale aumenta costantemente da ormai oltre 20 anni con un tasso di crescita molto elevato che porta al raddoppio del traffico ogni 12 – 18 mesi. Questo impetuoso sviluppo ha portato alla necessità di trasmettere elevatissime quantità di dati nelle reti di fibra ottica che sono messe in campo in tutto il globo terrestre, incluse le reti sottomarine negli oceani e le reti di lunga distanza che attraversano i continenti e le grandi distanze geografiche. È richiesto quindi un continuo aggiornamento delle infrastrutture di rete per rendere l’aumento di traffico sostenibile e sviluppare la cosiddetta Internet del Futuro e l’Internet delle Cose, una infrastruttura in grado di garantire una connessione ubiqua e a larga banda a tutte le persone e a tutti gli apparati e sensori tramite adeguate risorse di networking locali e globali. A questo scopo sono richiesti sviluppi tecnologici in tutte le parti delle reti, nell’accesso utente, nella capacità totale delle connessioni punto-punto tra due località geografiche, nella capacità dei nodi di interconnessione dove il traffico viene smistato in funzione della destinazione. In particolare, a causa della grande quantità di traffico, i nodi di interconnessione devono essere realizzati utilizzando apparecchiature sempre più complesse, che occupano molto spazio, dissipano molto calore e consumano grandi quantità di energia elettrica. Nei Paesi avanzati gli apparati della rete di comunicazione contribuiscono sensibilmente a fare delle compagnie telefoniche nazionali tra i principali consumatori di energia elettrica, spesso seconde solo alle società ferroviarie. Recenti analisi dei preposti organismi internazionali mostrano infatti che in molti Paesi del primo mondo, il consumo energetico per l’ICT è pari ad un valore tra il 6 e il 10% di tutta la produzione elettrica nazionale, valore inoltre in costante aumento. L’uso di dispositivi e infrastrutture basate su fotonica integrata è una delle chiavi di volta per aumentare l’efficienza energetica dei sistemi riducendone allo stesso tempo le dimensioni (Green Communications). Questo importante risultato può essere ottenuto in due modi, sia implementando per mezzo di circuiti integrati e miniaturizzati gli attuali sistemi che sono invece realizzati per mezzo di elementi separati e discreti montati su molte schede di controllo individuali, sia realizzando nuovi elementi multifunzionali. Questi ultimi possono permettere la cosiddetta elaborazione ottica dei segnali in grado di sostituire per molte applicazioni la più dispendiosa, dal punto di vista energetico, elaborazione elettronica. In aggiunta, molte di queste nuove tecniche ottiche possono funzionare per velocità e capacità di banda molto elevate e che sono precluse all’elaborazione elettronica. Questo le rende estremamente appetibili nella prospettiva della futura evoluzione delle reti con aumento della capacità di trasmissione. In figura, come esempio, è riportato un singolo circuito in fotonica integrata che può sostituire un elevato numero di componenti discreti che sono attualmente utilizzati nelle reti in fibra ottica. Ognuno di questi elementi discreti ha le dimensioni di alcuni centimetri e necessita individualmente di un apposito e spesso complesso packaging e di una apposita scheda di controllo oltre che, evidentemente, di una serie di fibre ottiche che li interconnettano. L’enorme risparmio in termini di spazio, consumi e materiali è evidente. In aggiunta alle reti di telecomunicazione, la fotonica integrata trova un altro importante campo di applicazione sempre nell’ambito dell’ICT nelle cosiddette interconnessioni ottiche. Si tratta di tutte quelle applicazioni in cui c’è la necessità di trasferire quantità di dati molto elevate su brevi distanze, da decine di metri a pochi centimetri. Queste funzioni sono richieste in molte infrastrutture moderne, dai grandi data center dove sono immagazzinate tutte le informazioni accessibili dalle reti o che sono necessarie al funzionamento di molte aziende, sino ai supercomputer di ultimissima generazione. In tutte queste infrastrutture c’è la necessità di trasferire una tale quantità di dati che questa può essere trasmessa solo utilizzando parallelamente un elevato numero di canali. Questi bus di interconnessione inoltre devono essere relativamente economici. Le prestazioni e i costi richiesti possono essere ottenuti proprio mediante l’uso di circuiti in fotonica integrata quando questi siano realizzati con materiali relativamente economici come il silicio e alcuni tipi di polimeri. L’elettronica L’Elettronica Anche nel caso delle interconnessioni ottiche, l’aspetto di consumo energetico e di dissipazione di calore è molto critico e richiede sia significativi investimenti in infrastrutture sia alti costi operativi. Si calcola che circa il 50 % dei costi energetici siano infatti necessari per il solo raffreddamento. Questi aspetti sono molto evidenti ad esempio nel caso dei data center che costruiscono le informazioni presenti su Internet. Nelle figure l’insediamento del Data Center di Google a Mountain View in California: se l’imponenza degli apparati elettronici che memorizzano e smistano i dati è quanto meno attesa, è sorprendente notare le dimensioni e la complessità delle infrastrutture idrauliche che sono richieste per il raffreddamento degli apparati. Ancora una volta l’integrazione fotonica è l’unica via percorribile per ridurre i consumi energetici e quindi anche la dissipazione di calore dovuta alle interconnessioni tra grandi server o supercomputer e a tutte le interfacce di trasmissione. Sono allo studio allo stesso tempo dispositivi integrati che siano in grado di interconnettere calcolatori, microprocessori all’interno dei calcolatori o apparati di trasmissione. Sebbene l’integrazione ottica sia ad uno stadio iniziale di sviluppo rispetto a quella elettronica, c’è la prospettiva che possa seguire una evoluzione in termini di densità dei dispositivi che sia virtuosa analogamente alla ben nota Legge di Moore che si è dimostrata valida per l’evoluzione dei circuiti integrati elettronici. Questa legge prevede che la densità di transistor per unità di spazio nei microprocessori raddoppi ogni 18 mesi circa ed è alla base dello sviluppo di tutti i moderni apparati microelettronici di uso comune, garantendo un costante miglioramento delle prestazioni a parità di costi e consumo energetico. Come si può osservare nel grafico in figura i circuiti fotonici integrati sembrano seguire una analoga progressione nella densità di dispositivi per unità di spazio, il che porta a garantire in prospettiva analoghi benefici. E’ interessante evidenziare che oltre alle applicazioni ai grandi apparati di telecomunicazione o elaborazione dati, l’integrazione fotonica trova applicazioni anche nel mercato di massa o consumer. A breve dispositivi realizzati mediante integrazione fotonica verranno introdotti direttamente nel mercato consumer, a dimostrare la capacità di penetrazione economico/pratica di questa tecnologia nei settori economici che richiedono grandi numeri e rese. Molte periferiche dei personal computer potranno essere connesse per mezzo di un cavo ottico ad alta capacità realizzato proprio usando interfacce realizzate con la fotonica integrata. L’aspetto di questo dispositivo di dimensioni confrontabili a quelle di una comune porta USB attualmente in uso sarà come riportato in figura a fianco, le capacità di trasmissione saranno invece incomparabile raggiungendo infatti i 10 Gigabit al secondo (diecimila miliardi di bit) per la prima generazione di dispositivi e fino a 100 Gigabit per quelle prossime. Una ulteriore applicazione dei circuiti integrati ottici diversa dall’ICT è, come accennato, quella per la sensoristica chimica e biomedicale, con la possibilità di realizzare i cosiddetti Lab-on-chip. I Lab-on-chip sono dispositivi che integrano funzioni multiple che si possono svolgere in laboratorio in un singolo chip, che va da pochi millimetri a qualche centimetro quadrato di grandezza ed è capace di trattare volumi di fluidi estremamente piccoli (in figura un esempio di circuito integrato Lab-on-chip). I dispositivi Lab-on-chip consentono la misurazione di un singolo o un multiplo processo di laboratorio con un semplice chip riuscendo anche ad integrare tutte le sequenze di processi di laboratorio per fare analisi chimiche. Consentono di realizzare sistemi portatili di rilevamento di agenti bio-chimici e sono pensati per analisi chimiche, monitoraggio dell'ambiente e diagnosi mediche. I vantaggi di questi dispositivi sono molteplici: consumano bassi volumi di fluido dato il piccolo volume interno del chip richiedendo quindi minor costo di reagenti costosi per la diagnosi; sono sistemi molto compatti per la grande integrazione delle funzionalità; hanno costi di fabbricazione minori, con la possibilità di produrre chip usa e getta a basso costo, fabbricati con produzione di massa; infine, è una piattaforma più sicura per studi chimici, radioattivi o biologici vista la grande integrazione delle funzionalità e minori volumi di fluido da immagazzinare ed energie. Infine risulta evidente da quanto illustrato finora che circuiti integrati fotonici sono di interesse per applicazioni nel campo delle tecnologie aerospaziali, sia per la difesa che civili. In questo campo infatti risultano estremamente critici gli ingombri e i consumi energetici e sono allo stesso tempo richieste prestazioni elevate. La fotonica integrata risponde chiaramente a questa duplice esigenza. Dispositivi realizzati con questa tecnologie vengono quindi studiati per la avionica di aerei ed elicotteri, come schematizzato in figura, per i dispositivi di trasmissione satellitare e per lo sviluppo dei radar di prossima generazione che richiedono l’utilizzo di elaborazione ottica dei dati.