Un chip completamente nuovo per la trasmissione superveloce di dati con la luce
I ricercatori dell'ETH hanno realizzato un chip superveloce in grado di accelerare la trasmissione dei dati nelle reti in fibra ottica. Si tratta di un risultato importante in vista della crescente domanda di streaming e di servizi online. Il chip plasmonico combina diverse innovazioni.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno realizzato ciò che si cercava da circa 20 anni: nell'ambito dei progetti di ricerca europei Horizon 2020, hanno prodotto in laboratorio un chip su cui i segnali elettronici veloci possono essere convertiti direttamente in segnali luminosi superveloci, in modo tale da non perdere praticamente nessuna qualità di segnale. Questa scoperta è importante per le prestazioni delle infrastrutture di comunicazione ottica che trasmettono dati utilizzando la luce. Si tratta, ad esempio, delle reti in fibra ottica.
Oggi le reti in fibra ottica di città come Zurigo consentono già di usufruire di Internet veloce, della telefonia digitale, della televisione e di servizi audio e cinematografici basati sulla rete (il cosiddetto streaming). Entro la fine di questo decennio, tuttavia, anche queste reti di comunicazione ottica potrebbero raggiungere i loro limiti in termini di trasmissione veloce dei dati.
I motivi sono la crescente domanda di servizi online per lo streaming, lo storage e la potenza di calcolo, nonché l'emergere dell'intelligenza artificiale e delle reti 5G. Oggi le reti ottiche raggiungono velocità di trasmissione dei dati nell'ordine dei gigabit (109) al secondo. Il limite è di 100 gigabit per linea e lunghezza d'onda. In futuro, tuttavia, si potranno raggiungere velocità di trasmissione dell'ordine dei terabit (1012) necessario.
Novità: elettronica e luce nello stesso chip
"Per soddisfare la crescente domanda, abbiamo bisogno di nuove soluzioni", afferma Jürg Leuthold, l'ETH Professor of Photonics and Communication. "La chiave di questo cambiamento di paradigma sta nella combinazione di componenti elettronici e fotonici su un unico chip". La fotonica ("l'insegnamento delle particelle di luce") studia le tecnologie ottiche per la trasmissione, l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni.
I ricercatori dell'ETH hanno realizzato proprio questa combinazione: insieme a partner in Germania, Stati Uniti, Israele e Grecia, sono riusciti a combinare per la prima volta in un esperimento i componenti elettronici e quelli basati sulla luce su uno stesso chip. Tecnicamente si tratta di un passo importante, perché finora questi componenti dovevano essere prodotti separatamente su chip distinti e poi collegati tra loro con dei fili.
Questo ha delle conseguenze: Da un lato, la produzione separata dei chip elettronici e fotonici è costosa. Dall'altro, riduce le prestazioni nella conversione dei segnali elettronici in segnali luminosi, limitando così la velocità di trasmissione nelle reti di comunicazione in fibra ottica, spiega Ueli Koch, post-dottorando del gruppo di Leuthold e autore principale dello studio, pubblicato sulla rivista Nature Electronics.
Compattezza per la massima velocità
"Se si convertono i segnali elettronici in segnali luminosi con chip separati, si perde molta qualità del segnale. Questo limita anche la velocità di trasmissione dei dati con la luce", spiega Koch. La sua soluzione parte quindi dal modulatore. Questo si trova sul chip e genera una luce di una certa intensità convertendo i segnali elettrici in onde luminose. Per evitare perdite di qualità e di intensità e per trasmettere la luce e i dati più velocemente di oggi, il modulatore deve essere il più compatto possibile (vedi Umwelt und Geomatik, 01.02.2016).
Questa compattezza si ottiene posizionando i componenti elettronici e fotonici vicini come due strati e collegandoli direttamente sul chip ("on-chip vias"). La stratificazione di elettronica e fotonica riduce i percorsi di trasmissione e la perdita di qualità del segnale. Poiché l'elettronica e la fotonica sono realizzate su un unico substrato, i ricercatori parlano di "co-integrazione monolitica".
L'approccio monolitico è fallito negli ultimi 20 anni perché i chip fotonici sono molto più grandi di quelli elettronici. Questo ha impedito di combinarli su un unico chip, spiega Jürg Leuthold. Le dimensioni dei componenti fotonici rendono impossibile combinarli con la tecnologia dei semiconduttori a ossido metallico (CMOS), oggi predominante nell'elettronica.
La plasmonica come strumento magico per i chip a semiconduttore
"Ora abbiamo superato la differenza di dimensioni tra fotonica ed elettronica sostituendo la fotonica con la plasmonica", afferma Leuthold. La plasmonica è un sottocampo della fotonica. Da dieci anni si prevede che questa tecnologia potrebbe diventare la base per chip superveloci. La plasmonica permette di comprimere le onde luminose in strutture molto più piccole della lunghezza d'onda della luce (vedi ETH News, 18.11.2019)..
Poiché i chip plasmonici sono più piccoli di quelli elettronici, è ora possibile produrre chip monolitici molto più compatti che comprendono uno strato fotonico e uno elettronico. Per convertire i segnali elettrici in segnali ottici ancora più veloci, lo strato fotonico (in rosso nel diagramma) contiene un modulatore di intensità plasmonico. Questo si basa su strutture metalliche che incanalano la luce in modo da raggiungere velocità più elevate.
La combinazione consente una velocità record
Nello strato elettronico (in blu nel grafico), la velocità è ulteriormente aumentata. Utilizzando un "processo di multiplexing 4:1", quattro segnali di ingresso a bassa velocità vengono raggruppati e amplificati in modo tale da formare insieme un segnale elettrico ad alta velocità. "Questo viene poi convertito in un segnale ottico ad alta velocità", spiega Koch, "in questo modo siamo riusciti per la prima volta a trasmettere dati a più di 100 gigabit al secondo su un chip monolitico".
Per raggiungere questa velocità record, i ricercatori hanno combinato la plasmonica non solo con l'elettronica CMOS classica, ma anche con la tecnologia BiCMOS, ancora più veloce. Hanno inoltre utilizzato un nuovo materiale elettro-ottico stabile in temperatura dell'Università di Washington e i risultati dei progetti Horizon 2020 PLASMOfab e PlaCMOS.
L'esperimento ha dimostrato, dice Leuthold, che queste tecnologie possono essere assemblate in uno dei chip compatti più veloci: "Siamo convinti che questa soluzione consentirà in futuro una trasmissione di dati più veloce nelle reti di comunicazione ottica".
Riferimento alla letteratura
Koch, U., Uhl, C., Hettrich, H. et al. Un trasmettitore bipolare monolitico CMOS elettronico-plasmonico ad alta velocità. Nature Electronics 3, 338-345 (2020). DOI: pagina esterna10.1038/s41928-020-0417-9
Koch, U. Un trasmettitore elettronico plasmonico monolitico bipolare CMOS ad alta velocità. Nature Research Device & Materials Engineering, Behind the Paper. pagina esternadevicematerialscommunity.nature.com/users/407225-ueli-koch/posts/a-monolithic-bipolar-cmos-electronic-plasmonic-high-speed-transmitter
Moazeni, S. CMOS e plasmonica si avvicinano. Nature Electronics 3, 302-303 (2020). DOI: pagina esterna10.1038/s41928-020-0426-8
Ulteriori informazioni
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