Patata fritta

I circuiti integrati basati sul silicio hanno seguito la legge di Moore e sono stati guidati da molti progressi tecnologici nelle tecnologie dei semiconduttori. Ora i ricercatori guardano oltre le architetture circuitali convenzionali con l’avvento dei circuiti integrati fotonici. Tuttavia, la mancanza di una sorgente laser affidabile sui chip di silicio ha rappresentato un grosso ostacolo che limita il potenziale dei circuiti integrati fotonici al silicio.

In questo articolo, esaminiamo una nuova ricerca dell’Università di Stanford che affronta questi problemi.

I laser sono componenti chiave nei sistemi ottici su chip, ma una sfida tecnica associata agli isolatori ne rende difficile la manutenzione sui chip. La luce del laser può riflettersi su se stessa e destabilizzarlo o disattivarlo. Pertanto, le fibre ottiche tradizionali e i sistemi ottici ingombranti utilizzano isolatori ottici che sfruttano l'effetto Faraday. Sebbene questo approccio sia replicabile sui chip, la scalabilità rimane un problema poiché non è compatibile con la tecnologia CMOS (semiconduttore a ossido di metallo complementare).

Ci sono stati anche progressi nella realizzazione di isolatori privi di magneti o di isolatori che non si basavano sull'effetto Faraday. Tuttavia, portano a sistemi complessi e che consumano energia.

I ricercatori della Stanford University suggeriscono, nel loro articolo pubblicato su Nature Photonics, che un isolatore ideale sarebbe completamente passivo e privo di magneti per essere scalabile e compatibile con la tecnologia CMOS. Hanno creato un efficace isolatore passivo su scala di chip utilizzando materiali semiconduttori ben noti.

Un isolatore ottico consente la trasmissione della luce in una sola direzione, annullando di fatto le onde riflesse. Gli isolatori che si basano sull'effetto Faraday utilizzano i rotatori di Faraday, il componente principale degli isolatori che provoca la rotazione nella polarizzazione della luce quando viene applicato un campo magnetico.

Gli isolatori dipendenti dalla polarizzazione utilizzano un polarizzatore di ingresso, un rotatore di Faraday e un polarizzatore di uscita. Per la luce che viaggia all'indietro, il polarizzatore di ingresso polarizza la luce di 45 gradi. Il rotatore di Faraday ruoterà nuovamente di 45 gradi. Poiché il polarizzatore di uscita è allineato verticalmente, la luce riflessa polarizzata orizzontalmente verrà annullata.

Gli isolatori indipendenti dalla polarizzazione invece dividono prima le componenti ortogonali del fascio di ingresso con un polarizzatore. Quindi li inviano attraverso un rotatore di Faraday e li combinano nel polarizzatore di ingresso. La luce riflessa apparirà con un offset e non potrà passare.

Tali sistemi sono molto difficili da implementare sui chip poiché non sarebbero compatibili con la tecnologia CMOS.

Gli isolatori integrati a onda continua dimostrati dai ricercatori di Stanford funzionano con l’effetto Kerr. È realizzato in nitruro di silicio (SiN), che è uno dei materiali semiconduttori più comuni ed è facile da produrre in serie.

L'effetto Kerr suggerisce che una sostanza isotropa diventa birifrangente sotto un campo elettrico e che un campo elettrico dovuto alla luce provoca una variazione dell'indice di rifrazione del materiale, che sarebbe proporzionale all'irradiazione luminosa.

Quest'ultimo effetto diventa molto più significativo con raggi intensi come i laser. L'effetto Kerr nell'anello SiN rompe la degenerazione tra le modalità oraria e antioraria dell'anello e consente la trasmissione delle onde in modo non simmetrico.

Il raggio laser primario passa attraverso l'anello SiN, facendo ruotare i fotoni attorno all'anello in senso orario. Contemporaneamente, il raggio riflesso fa ruotare i fotoni in senso antiorario.

La circolazione all'interno dell'anello porta all'accumulo di energia. L'aumento di potenza influenza il raggio più debole (in questo caso il raggio riflesso), mentre il raggio più forte rimane inalterato.

Jelena Vučković, professoressa di ingegneria elettrica a Stanford e autrice senior dello studio, e il suo team hanno costruito un prototipo come prova di concetto e hanno dimostrato l'accoppiamento di due isolatori ad anello in una cascata per ottenere prestazioni superiori. Riferiscono inoltre che variando l'accoppiamento dei risonatori ad anello, è possibile compensare l'isolamento e le perdite legate all'accoppiamento.