Quando è la luce a migliorare la resa dei circuiti integrati

Al Politecnico Federale di Losanna gli scienziati hanno creato e notato un nuovo fenomeno fisico su un chip ottico utilizzando LASER modificati

La tecnologia va sempre più verso la miniaturizzazione e l’efficienza energetica. Questo vale anche per i chip elettronici.
La luce, e l’ottica più in generale, sono funzionali alla realizzazione di circuiti integrati compatti e portatili.
I ricercatori del Photonic Systems Laboratory del Politecnico Federale di Losanna, guidati dalla professoressa Camille-Sophie Brès, hanno applicato con successo un nuovo principio, introducendo la non linearità ottica del secondo ordine nei chip di nitruro di silicio.
Un primo rapporto sul tema, che ha riscosso un notevole interesse, è stato pubblicato sulla rivista “Nature Photonics”.
Un circuito ottico integrato (IC) è un circuito elettronico, chip o microchip compatto che elabora la luce direttamente per eseguire varie funzioni di comunicazione.
I vantaggi nell’utilizzo di un circuito integrato ottico includono la velocità massima dei dati più elevata che può essere inviata su un collegamento ottico rispetto ad altri mezzi e l’assenza di danni dovuti a interferenze naturali e artificiali e alle energie transitorie.
Il circuito ottico integrato utilizza vari tipi di componenti elettronici come semiconduttori che fungono da sorgenti ottiche, modulatori ottici e rilevatori ottici.
L’intensità della luce da una sorgente ottica può essere controllata per portare il messaggio all’estremità di un cavo ottico.
Per trasportare un segnale analogico, l’intensità della luce inviata può essere variata in proporzione al livello istantaneo del segnale analogico.

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La non linearità in un cristallo per avere comunque… “il verde”

“Quando si usa un puntatore LASER verde, per esempio, la luce amplificata non è realmente verde perché effetti di questo tipo sono particolarmente difficili da produrre. Di conseguenza cambiamo la frequenza di un LASER esistente. Esso emette luce ad una frequenza che è la metà di quella del verde, dopodiché la raddoppiamo usando la non linearità in un cristallo che ci dà il verde”.
E ancora: “Il nostro studio consiste nell’integrare questa funzionalità su chip che possono essere fabbricati con tecniche standard sviluppate per l’elettronica CMOS (acronimo di Complementary Metal-Oxide Semiconductor, ndr). Grazie a questo accorgimento, saremo in grado di generare efficacemente diversi colori di luce su un chip“, spiega ancora la Brès.
Il CMOS menzionato è un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica digitale per la progettazione di circuiti integrati, alla cui base sta l’uso dell’invertitore a transistor MOS-FET, cioè transistore a semiconduttore di ossido di metallo a effetto di campo
L’approccio, dimostrato scientificamente, non era mai stato implementato prima. Gli attuali chip fotonici compatibili con i processi CMOS utilizzano materiali standard, come il silicio, che non possiedono la non linearità del secondo ordine e quindi non sono intrinsecamente in grado di trasformare la luce in questo modo.
“Questa circostanza risulta essere una barriera importante al progresso della tecnologia”, aggiunge la professoressa.

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Un anello ingrandisce i processi non lineari sperimentati dalla luce

Gli scienziati della Scuola di Ingegneria hanno sviluppato una tecnica per indurre la non linearità, da utilizzare per convertire la luce dove normalmente non è possibile farlo.
Inoltre, per rendere efficace questa conversione, hanno usato un risonatore, una struttura ad anello che ingrandisce i processi non lineari sperimentati dalla luce.
I risonatori in nitruro di silicio, la cui tecnologia è stata stabilita all’EPFL e che è ora commercializzata dalla società Ligentec, presentano perdite molto basse, così che la luce circola nei risonatori per un lasso di tempo molto lungo.
“La non linearità deriva dall’interazione tra luce e materia. Questo scambio deve essere lungo, se vogliamo che il processo debba essere funzionale ed efficiente. Tuttavia, il chip è un piccolo oggetto sul quale non beneficiamo di lunghe distanze”, spiega Edgars Nitiss, dottore di ricerca e primo co-autore dello studio.
La luce introdotta nel risonatore viene catturata e viaggia il tempo necessario per aumentare l’interazione non lineare.

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Come due automobili in autostrada affiancate nonché interagenti

“Grazie a questa tecnica, l’efficienza del chip è notevolmente migliorata. Ma si impone un nuovo vincolo. Quando si utilizza un risonatore, siamo limitati in termini di colori disponibili”, dice Camille-Sophie Brès.
E ancora: “Infatti, l’efficacia di un effetto non lineare dipende anche dall’accordo di fase tra i diversi colori che interagiscono, mentre essi hanno inevitabilmente diverse velocità di propagazione. Proprio come due automobili in autostrada. Vogliamo che quella nella corsia più veloce rallenti mentre l’altra accelera, in modo che possano correre l’una accanto all’altra e, quindi, interagire fra di loro”, illustra Jianqi Hu, a propria volta PhD e co-autore principale.
Questa possibilità si ottiene di solito soltanto in casi molto limitati in un risonatore. I ricercatori hanno trovato una soluzione per evitare questo vincolo e per offrire l’accesso a una gamma di colori diversi nonostante l’uso del risonatore stesso.
Nel generatore di risonanza, le onde luminose si propagano, producendo un’interazione coerente che cambia le proprietà del materiale.
Si ottiene un’auto-organizzazione della struttura in modo completamente ottico, che compensa automaticamente il disallineamento di fase, indipendentemente dal colore di ingresso.
“In questo modo aggiriamo un limite critico dei risonatori, pur beneficiando del loro forte miglioramento dell’efficienza”, conclude lo scienziato dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

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