Introduzione alla Fotonica

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.