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Sensore fotonico CLIPPA Milano è stata inventata e brevettata una tecnica non invasiva che consente di osservare la presenza e di misurare l’intensità della radiazione luminosa in un mezzo ottico, senza perturbare in alcun modo le proprietà del campo ottico
propagante.

Si tratta di una tecnica che ha numerose applicazioni scientifiche ed industriali: dalla gestione e controllo di circuiti fotonici complessi a larga scala di integrazione alla rivelazione multipunto di guasti, dall'allineamento automatico tra una singola fibra ottica ed una guida integrata al test a livello di fetta nel collaudo di dispositivi a semiconduttore.

Introduzione: la fotonica integrata

L’ottica integrata rappresenta un insieme variegato di tecnologie emergenti per la manipolazione della luce a scala micro e nanometrica su piattaforme a stato solido.

Applicazioni fotonicaOltre al tradizionale ambito delle comunicazioni ottiche a lunga distanza, le potenzialità di questi circuiti fotonici integrati investono sopratutto la trasmissione dati a corta e media distanza (data center, reti locali, connessioni tra schede all’interno di un singolo computer, tra processori sulla stessa scheda e addirittura all’interno del singolo processore).

L’uso dei fotoni al posto degli elettroni per la trasmissione di informazione ad altissima velocità anche alla scala di singola scheda o singolo circuito integrato a costituisce un nuovo paradigma di progettazione dei futuri sistemi elettronici, motivato principalmente, oltre che dalla banda passante, dal radicale superamento di problematiche quali la dissipazione di potenza, il cross-talk e la sensibilità ai disturbi elettromagnetici dei conduttori tradizionali.

Altre interessanti applicazioni comprendono la sensoristica e in particolare l’analisi biochimica a basse concentrazioni.

Infatti. l’estrema sensibilità della propagazione luminosa alle proprietà dei materiali confinanti viene impiegata, ad esempio, per rilevare il legame di una singola macromolecola biologica da identificare con il corrispondente recettore immobilizzato su un tratto scoperto di guida d’onda integrata.

Il campo evanescente sborda dall’interfaccia per una frazione della lunghezza d’onda ed è quindi estremamente sensibile a macromolecole di dimensioni nanometriche con cui interagisce, mutando le proprietà del modo ottico che si sta propagando nella guida (che può costituire un ramo di un interferometro o un risonatore, realizzati al fine di trasformare una variazione di fase in una variazione di intensità facilmente rilevabile con un fotorivelatore).

Panorama industriale

Questa tecnologia, pur essendo decisamente promettente e versatile, non ha ancora trovato larga diffusione commerciale, anche a causa del mancato consolidamento di una singola piattaforma tecnologica. Nonostante la spinta verso la standardizzazione dei singoli componenti ottici in librerie adatte alla progettazione di complessi circuiti fotonici e l’inevitabile scelta del silicio come materiale d’elezione per la compatibilità con la microelettronica, il panorama industriale appare ancora frammentato.

Oltre alla copiosa attività di ricerca sviluppata nel mondo accademico su differenti tecnologie a semiconduttore, la ricerca industriale è trainata da agguerrite società fabless altamente specializzate come Luxtera, mentre i colossi (come IBM, Intel e STMicroelectronics) presidiando il settore con lo sviluppo di programmi di ricerca interni per essere pronti a cogliere e guidare il “boom” della Silicon Photonics.

Uno dei principali motivi della frammentazione tecnologica, che rende la tavolozza di materiali del processo CMOS insufficiente per le esigente fotoniche, è la difficoltà di realizzare in silicio sorgenti di luce, modulatori e fotorivelatori (alle lunghezze d’onda infrarosse di interesse telecom) ad elevate prestazioni, richiedendo appunto l’uso di altri semiconduttori come il germanio o il fosfuro di indio, che implicano quindi processi di fabbricazione più articolati nella prospettiva dell’integrazione su di una piattaforma comune.

Necessità di un nuovo sensore

Uno dei limiti principali degli attuali circuiti fotonici con dimensioni minime sub-micrometriche è dovuto alle tolleranze di processo e alla sensibilità alle condizioni ambientali (come la temperatura) che portano i dispositivi ad operare lontano dal punto di lavoro nominale, derivando o fluttuando lentamente nel tempo in modo incontrollato.

Tipicamente ogni dispositivo viene caratterizzato e tarato manualmente, limitando così a poche unità il numero dei dispositivi integrati per chip.

CLIPP MonitorAl fine di rendere automatica la regolazione (e quindi poter affiancare decine o centinaia di dispositivi) è necessario introdurre un meccanismo di retroazione basato sulla misura continua del punto di lavoro del singolo dispositivo tramite un sensore adeguato (e sulla conseguente azione tramite un attuatore).

Da questo punto di vista i fotorivelatori si dividono infatti in due categorie: a fianco dei classici fotorivelatori veloci, posti al termine della guida per la ricezione dei dati a larga banda (svariati Gbit/s), esistono dei fotorivelatori “lenti”, posti in linea o terminali, impiegati per monitorare il punto di lavoro della rete e riconfigurare dinamicamente il circuito.

Recentemente un brevetto italiano ha proposto un tipo innovativo di monitor in-linea e totalmente non perturbativo, che rappresenta un passo avanti un significativo in questo settore, aprendo nuove prospettive nel controllo ad anello chiuso.

Monitor locale non invasivo

Questa nuova tecnica di monitoraggio, inventata grazie alla sinergica collaborazione tra il gruppo di strumentazione elettronica a basso rumore e quello di ottica integrata del Dipartimento di Elettronica, Informazione Bioingegneria del Politecnico di Milano, sfrutta i pochi fotoni che vengono inevitabilmente persi durante la propagazione della luce nelle guide d’onda integrate.

Infatti, sebbene il silicio sia trasparente alle lunghezze d’onda infrarosse (1550 nm) in quanto i fotoni hanno energia inferiore al gap energetico, la presenza di difetti nel silicio cristallino all’interfaccia con il cladding circostante (di ossido di silicio) crea degli stati energetici intermedi che consentono ad una frazione trascurabile dei fotoni che investono tale interfaccia di essere assorbiti, promuovendo così un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione.

La misura dell’incremento del numero di questi portatori fotogenerati (legato alla potenza ottica locale) costituisce il cuore dei questa tecnica.

Dato che l’inserimento di una coppia di elettrodi a diretto contatto con la guida per la misura della sua conducibilità produce un’alterazione del campo propagante che provoca delle perdite intollerabili, l’idea originale di questo approccio è quella di accedere capacitivamente alla guida, ponendo gli elettrodi a debita distanza (sopra il cladding), in modo da non perturbare la luce.

Per misurare la conducibilità della guida è necessario dunque misurare l’impedenza tra gli elettrodi ad una frequenza sufficientemente alta (circa 1MHz, ma dipende dalle geometrie) per bypassare le capacità di accesso costituite dallo spessore di isolante del cladding e con una risoluzione adeguata a rilevare piccole variazioni di conduttanza (dell’ordine del nanoSiemens).

Di conseguenza questo sensore è stato chiamato CLIPP: Contact-Less Integrated Photonic Probe.

 

Applicazioni del sensore CLIPP

Grazie alla sua versatilità e facilità di fabbricazione (semplice litografia di una coppia di elettrodi sopra il cladding, su di un livello completamente separato da quello delle guide ottiche sottostanti) le applicazioni della tecnica CLIPP sono innumerevoli.

L’impiego più immediato è come monitor di potenza in linea, che non introduce perdite aggiuntive e che quindi può essere piazzato in un elevato numero di punti di interesse del circuito fotonico per misurare la potenza ottica in tempo reale, senza bisogno di spillare una frazione di luce da portare ad un fotorivelatore integrato o esterno.

Accoppiamento di un chip fotonico con un chip CMOS dedicato contenente l’elettronica di lettura multicanale a basso rumoreIn particolare, per sfruttare tale parallelismo, è stato sviluppato un circuito integrato dedicato alla lettura a basso rumore di 32 CLIPP.

Come anticipato, tale sensore può offrire un segnale da impiegare in un anello di retroazione locale, atto a stabilizzare il punto di lavoro di un dispositivo ottico. Ad esempio, la CLIPP è stata posta sopra un micro-risonatore ad anello in modo da controllarne accuratamente la lunghezza d’onda di risonanza, comandando un attuatore termo-ottico in base all’intensità del segnale impedenziale legato alla posizione del picco di risonanza.

Infine, data la rilevanza industriale del packaging dei sistemi opto-elettronici, è stato verificato che la tecnologia CLIPP può essere impiegata anche per guidare l’allineamento automatico tra una singola fibra ottica esterna che porta la luce ed una guida di ingresso del chip fotonico, semplificando notevolmente il tradizionale approccio che richiede l’allineamento contemporaneo di due interfacce (di lancio e di raccolta).

Categoria: Misure Analogiche

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