Optoelettronica e fotonica integrata: quale futuro ?

L'obiettivo della fotonica è comprendere la propagazione dei fotoni, nella stessa stregua di come l'elettronica studia il moto degli elettroni. In particolare, gli ingegneri fotonici studiano la trasmissione, amplificazione e modulazione della luce per una varietà di scopi. L'optoelettronica abbraccia a sua volta tutta una serie di dispositivi elettronici che si interfacciano con la luce. Pensiamo ai già affermati LED e a tutta la sua tecnologia di visualizzazione grafica. Essenzialmente si basa su vari principi fisici, quali l'effetto fotoelettrico e l'emissione stimolata impiegata nei laser. Dopo aver avuto una leggera crisi nei primi anni del 2000, il mercato si è ripreso decisamente con nuove ricerche per lo sviluppo di dispositivi microelettronici che fanno sempre di più sperare in un prossimo supercomputer del futuro.

Le Tecnologie fotoniche hanno un forte impatto sull'economia mondiale con una corrente di mercato globale di 300 miliardi di euro e proiettati verso i 600 miliardi nel 2020. Il concetto di utilizzare la luce laser per trasportare le informazioni è stato un punto di riferimento per l'industria dei semiconduttori con importanti applicazioni che includono la registrazione di dati ottici, telecomunicazioni in fibra ottica, la stampa laser.

I circuiti fotonici utilizzano i fotoni per codifcare le informazioni e in un prossimo futuro potrebbero sostituire i circuiti elettronici dando vita ad un nuovo mercato di computer quantistici.

Nuovi studi hanno permesso di controllare il verso di propagazione di un impulso luminoso dando vita alla progettazione di nuovi chip fotonici costituiti da quantum dot, in grado di emettere un fotone alla volta in seguito alla diseccitazione degli elettroni mediante un laser. La perfetta integrazione di ottica e fotonica a livello di chip ha il potenziale di aumentare in modo significativo la velocità e la capacità di molte applicazioni. L'integrazione a livello di chip consentirà di ridurre il peso ed aumentare la velocità di computing riducendo a sua volta i costi, aprendo così un grande mercato di futuri dispositivi miniaturizzati. Dal momento che la velocità della luce è quella che potremmo definire la velocità di "punta" dell'universo, ha senso usarla come il vettore delle informazioni. La luce è in grado di viaggiare in tutto il mondo ad una velocità impressionante, e sin da ora attraverso le fibre ottiche siamo in grado di trasferire un set di dati su grandi distanze in poco tempo. L'obiettivo è trasferire le informazioni in maniera instantanea. I dispositivi mobili e indossabili incorporeranno la fotonica con maggior successo, come lo fanno sin da ora con i sensori e display. La velocità dei microprocessori multicore, che sono già utilizzati nei computer ad alte prestazioni, dipende non tanto dalla velocità di un singolo core, bensì dal tempo necessario per il trasferimento dei dati tra i vari core. Le limitazioni in banda non permettono di mantenere la continua crescita delle prestazioni del processore. L'integrazione di ottica ed elettronica sullo stesso chip supporta più traffico di dati, sostanzialmente con un basso costo e una decisa riduzione del consumo energetico. Questi chip optoelettronici hanno lo scopo di rendere la comunicazione più intelligente e conveniente. Molte aziende leader del settore stanno investendo notevoli capitali per affrontare nel prossimo futuro il passaggio dall'elettronica alla fotonica. Questo implicherà un trasferimento di dati quasi instantanei e potenza di calcolo proporzionale al numero di core. Il problema delle dimensioni, e quindi dei materiali, condurrà la tecnologia verso una soluzione di onde di superficie conosciute come  surface plasmon polaritons (SPP). I dispositivi di elaborazione del futuro, siano essi computer quantistici o anche semplici circuiti integrati fotonici, hanno già dato una nuova prospettiva a livello di test per la potenza e la versatilità della computazione in futuro. Con la sempre crescente domanda di calcolo più veloce ed efficiente, la fotonica sembra essere un candidato promettente. Intel, IBM e Google hanno già fatto ingenti investimenti in questa direzione e tutto ciò che possiamo aspettarci è una migliore esperienza di elaborazione in futuro. Gli interessi attuali di IBM sono più nella tecnologia fotonica in silicio che nella elaborazione ottica, progettando e testando chips fotonici completamente integrati che consentiranno presto di ricevere informazioni con una velocità di trasferimento dati fino a 25 Gb / s per canale. Questo permetterà presto la produzione di trasmettitori ottici a 100 gigabit di dati al secondo. Inoltre, permetterà di realizzare data center con una maggiore velocità di trasmissione dati e una notevole larghezza di banda per il cloud computing e le applicazioni Big Data per la prossima industry 4.0.

Il nuovo design fotonico migliorerà decisamente l'efficienza delle prestazioni riducendo i costi di assemblaggio.

Le sfide sorgono in quanto le tolleranze di allineamento acquistano una notevole considerazione richiedendo il meglio della tecnologia di packaging. Gli ingegneri dell'università della Berkeley hanno verificato le funzionalità del chip con interconnessioni fotoniche per eseguire vari test informatici. Essi hanno dimostrato che il chip aveva una densità di banda di 300 gigabit al secondo per millimetro quadrato, circa 10-50 volte maggiore dei microprocessori attualmente sul mercato. L'I / O fotonica sul chip è anche ad alta efficienza energetica, utilizzando solo 1,3 picojoules per bit, pari ad un consumo di circa 1 watt di potenza per la trasmissione di un terabyte di dati al secondo. Il futuro del computing potrebbe risiedere decisamente in microprocessori fotonici che utilizzano la luce anziché segnali elettrici.

 

3 Commenti

  1. Ernesto Sorrentino 18 aprile 2016
  2. rromano001 19 aprile 2016
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 19 aprile 2016

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