Fotonica, comunicare alla velocità della luce

L’uso della luce per la comunicazione di informazioni a distanza può essere considerato una pratica che risale all’antichità. Si pensi ad esempio ai fuochi accesi all’interno di fari o torri di segnalazione: i segnali luminosi venivano qui utilizzati per render nota la presenza o l’assenza di ostacoli, porti o nemici. Differentemente dalle onde radio o dall’elettricità, che dovvettero essere scoperti, la luce fu quindi un mezzo di comunicazione naturale e intuitivo.

Proprio per questo motivo, l’ottica è una antica e nobile scienza, i cui primi trattati rigorosi risalgono ad Euclide. Nel tempo, Newton, Huygens, Hertz, Einstein, Born e molti altri scienziati di primissimo piano diedero dei contributi fondamentali all’ottica. Essa, in sintesi, studia la generazione, manipolazione e rilevazione della luce, ossia delle sue “unita’” elementari note come fotoni.

Antonio La Porta fa parte di IBM Research di Zurigo dal 2010. La sua ricerca si concentra sull'integrazione elettro-ottica di dispositivi fotonici.
Prima di entrare in IBM, Antonio ha fatto ricerca e sviluppo per Linkra.
Ha conseguito una laurea in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Catania e il dottorato di ricerca in Ingegneria Elettrica e Comunicazione presso il Politecnico di Torino.

Sino agli anni 70 del precedente secolo lo studio dell’ottica e le sue tecnologie furono di fatto confinate nei laboratori scientifici. Fino ad allora, tutti i sistemi di comunicazione moderni si basavano sulla trasmissione dell’informazione attraverso cavi elettrici o radiazione elettromagnetica a radio-frequenza o microonde in propagazione libera.

Si dovvetero attendere almeno tre breakthrough tecnologici per mutare il panorama delle telecomunicazioni e dare il via alla sua spettacolare evoluzione: l’invenzione del laser [1], l’introduzione di dispositivi ottici a semiconduttore [2], e la fabbricazione di fibre ottiche (sottili “tubi” dove i fotoni scorrono alla velocita’ della luce) a bassa perdita [3].

La disponibilità di una sorgente di luce ottenibile da un circuito integrato in un chip di materiale semiconduttore, come quella prodotta dai laser a semiconduttore, combinata con un mezzo trasmissivo a bassa perdita come le fibre ottiche e un ricevitore elettro-ottico (che puo’ essere ancora una volta un chip di materiale semiconduttore) costituiscono, in linea di principio, tutto ciò che serve per stabilire un canale di comunicazione ottica tra due punti, come rappresentato in figura 1 [4]. Il funzionamente di un tale sistema puo’ essere così riassunto.

Schema di un tipico sistema di comunicazione punto-punto in fibra ottica
1 - Schema di un tipico sistema di comunicazione punto-punto in fibra ottica

Il messaggio da recapitare viene scomposto e codificato in una sequenza di unita’ digitali ed elementari (i bit). In un sistema digitale binario, una sequenza di bit “1” e “0”, sotto forma di segnali elettrici, viene messa in relazione al segnale luminoso emesso dal trasmettitore, ad esempio modulando l’intensità, la fase o entrambe tali grandezze della sorgente luminosa. Nel caso di modulazione d’ampiezza, idealmente, a ciascun 1 della sequenza di bit si fa corrispondere un impulso di “luce” (on) di durata definita mentre ad ogni 0 corrisponde un intervallo di “buio” (off). Il ricevitore riconvertira’ in segnali elettrici binari gli intervalli “luce-buio”.

È chiaro quindi che la rapidità con cui un tale sistema può operare dipende dalla rapidità di conversione elettro-ottica del trasmettitore e del ricevitore, ma virtualmente non dal canale ottico in sé. È infatti facile dimostrate che proprio l’uso di una portante a frequenze ottiche (i laser per comunicazioni a lunga distanza operano nell’infrarosso ed hanno frequenze di operazione di centinaia di THz) consente di trasferire una quantità di banda enorme.

La combinazione, amplificazione, aggregazione e ottimizzazione di centinaia di canali ottici a frequenza diversa, su una o più fibre ottiche di diametro sub-millimetrico è la tecnologia primaria per la trasmissione di dati, voce, video, e in generale del traffico internet. Tale tecnologia garantisce grande capacità trasmissiva, immunità a sorgenti elettromagnetiche di rumore e relativa facilità di installazione. La rappresentazione migliore del successo dell’uso dei fotoni per trasferire informazioni è subito evidente se si pensa alle dorsali di comunicazione trans-oceaniche. Migliaia di cavi contenenti fibre ottiche estese per centinaia di migliaia di km solcano mari e oceani, realizzando trasferimenti a diversi Tb/s per cavo. In figura 2 è rappresentata la distribuzione delle dorsali di comunicazioni a lunga distanza aggiornata al 2016 [5].

Cavi sottomarini in fibra ottica per la trasmissione del traffic internet
2 - Cavi sottomarini in fibra ottica per la trasmissione del traffic internet

La luce dagli oceani al processore

La trasmissione di elevate quantità di dati a media e lunga distanza è certamente l’applicazione di maggior di successo delle tecnologie ottiche. Tuttavia, fin dagli anni 80 del precedente secolo, gli scienziati studiano l’applicabilita’ delle tecnolgie fotoniche per l’interconnessione di chip elettronici. Se da una parte la miniaturizzazione dei dispotivi elettronici basati sul silicio consente di ottenere chip più veloci e complessi [6], dall’altra risulta evidente come le tecnologie di interconnessione elettrica tra chip non tengano il passo in termini di distribuzione del clock, sincronizzazione, densita’ di banda per unita’ di lunghezza e dissipazione di potenza [7].

Per applicazioni come high performance computing per big-data, utilizzare i fotoni anziché gli elettroni per stabilire la comunicazione tra due chip o tra due board a distanza ravvicinata (da qualche cm a qualche decina di metri) è una prospettiva che potrebbe risolvere i problemi delle interconnessioni elettriche.

Presso Ibm Research a Zurigo la ricerca di soluzioni tecnologiche che prevedono la prospettiva di interconnettere i chip con i fotoni si persegue assemblando e fabbricando, rispettivamente, chip elettro-ottici e strutture che guidino i fotoni (chiamate guide d’onda) sullo stesso supporto, sia essa una board rigida o un substrato flessibile [8, 9].

Interconnessioni chip-to-chip con capacità dell’ordine del Tb/s possono cosi’ essere realizzate, migliorando di circa due ordini di grandezza la capacità di trasferimento realizzabile con le interconnessione elettriche. Uno degli elementi chiave delle tecnologie in genere è il concetto di scalabilità, cioe’ quella capacità di sostenere ed eventualmente incrementare le proprie prestazioni senza stravolgerne i fondamenti. In questo contesto gli scienziati vedono nelle tecnologie fotoniche ottime potenzialità, a patto di “spostare” l’ottica piu’ vicino possibile a dove i dati vengono generati e processati (processor chip), e opportunamente distribuiti (hub chip). L’integrazione e l’interconnessione di chip in silicio con funzionalità fotoniche prende il nome di silicon photonics.

Schema di integrazione di chip elettrici ed ottici su board per applicazioni di high-end computing
3 - Schema di integrazione di chip elettrici ed ottici su board per applicazioni di high-end computing

In figura 3 è possibile vedere uno schema di una board per applicazioni di high-end computing in cui sono integrati dispostivi elettronici (processori, memorie) vicino a silicon photonics chip interfacciati da guide d’onda di tipo polimerico o da fibre ottiche. Utilizzando opportune tecniche di combinazione dei segnali ottici (Wavelength Division Multiplexing, WDM) e un elevato numero di input ed output (I/Os), tale schema consentirebbe un throughput per board di diverse centinaia di Tb/s. In IBM Research a Zurigo sono stati dimostrati sistemi scalabili WDM e con basse perdite di potenza ottica (< 15%) all’interfaccia tra il silicon photonics chip e le guide d’onda polimeriche [10].

Vi è infine un’ultima frontiera dove gli scienziati sono attivissimi: l’integrazione delle funzionalità ottiche nel processor chip in silicio, eventualmente includendovi anche una sorgente laser. Si tratta di un processo di integrazione monolitica elettro-ottica, in cui generazione, processing e conversione dei dati in un flusso di fotoni avviene nel medesimo chip [11].

È un po’ il sacro graal della comunità scientifica coinvolta nella ricerca fotonica. Inoltre, dal momento che il silicio per sua stessa natura, non è un buon materiale emettitore di luce, bisogna ricorrere a tecniche di integrazione sofisticate tra il silicio e materiali più favorevoli, come i semiconduttori a bang-gap diretto [6]. I primi risultati in laboratorio sono incoraggianti e fanno presagire ricadute applicative di notevole impatto e non solo per l’high-end computing.

In conclusione, da qualche migliaio di anni l’uomo utilizza i fotoni per comunicare. Tratteggiata da scienziati di primo piano, l’ottica è una scienza attiva che ha contribuito e contribuisce a modellare il mondo interconnesso e globale per come lo conosciamo oggi.

Le ricerche attuali prevedono vieppiù l’integrazione di funzionalità ottiche ed elettroniche e l’integrazione monolitica in silicon photonics di queste funzionalità potrebbe essere il prossimo game-changer nel mondo dell’hardware per l’information technology.

fotonica ibm figura4
4 - Rappresentazione grafica di un chip in silicio che con integrazione monolitica di funzionalita’ elettriche ed ottiche [11].

Bibliografia

1 – “Production of Coherent Radiation by Atoms and Molecules”, C. H. Townes – Nobel Lecture, December 11, 1964 – http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1964/townes-lecture.html

2 – “Semiconductor Lasers”, N. G. Basov – Nobel Lecture, December 11, 1964 – http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1964/basov-lecture.html

3 – “Sand from Centuries Past: Send Future Voices Fast”, C. K. Kao – Nobel Lecture, December 8, 2009 – http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2009/kao-lecture.html

4 – “Glasses for Photonic Technologies”, M. Abdel-Baki, and F. El-Diasty, International Journal of Optics and Applications, 3, (6), pp.: 125-137, (2013).

5 – http://www.submarinecablemap.com/

6 – http://www.01net.it/oltre-il-silicio-il-futuro-dei-transistor-e-dei-semiconduttori/

7 – “Rationale and Challenges for Optical Interconnects to Electronic Chips”, D. A. B. Miller, Proceedings of the IEEE, vol.88, no.6, pp. 728-749, (2000)

8 – “Terabus: Chip-to-chip board-level optical data buses”, J. A. Kash ed al., LEOS 2008 - 21st Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, Acapulco, 2008, pp. 515-516.

9 –  “Development of Versatile Polymer Waveguide Flex Technology for Use in Optical Interconnects”, R. Dangel et al., Journal of Lightwave Technology, vol. 31, no. 24, pp. 3915-3926, Dec.15, 2013.

10 – “Silicon photonics packaging for highly scalable optical interconnects”, A. La Porta et al., 2015 IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, CA, 2015, pp. 1299-1304.

11 – http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/39641.wss

 

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