Contrariamente all'enorme successo dell'integrazione elettronica, l'integrazione fotonica è ancora agli inizi. Uno degli ostacoli più seri che deve affrontare è la necessità di utilizzare una varietà di materiali per ottenere funzioni diverse, a differenza dell'integrazione elettronica. Per complicare ulteriormente le cose, molti dei materiali necessari per l'integrazione fotonica non sono compatibili con la tecnologia di integrazione del silicio.

I tentativi finora di posizionare una varietà di nanofili funzionali all'interno di circuiti fotonici per raggiungere le funzionalità desiderate hanno dimostrato che, mentre del tutto possibile, i nanofili tendono ad essere troppo piccoli per confinare efficacemente la luce. Mentre i nanofili più grandi possono migliorare il confinamento della luce e le prestazioni, aumenta sia il consumo energetico che l'ingombro del dispositivo, entrambi considerati "fatale" quando si tratta di integrazione.

Affrontando questo problema, un gruppo di ricercatori della NTT Corp. in Giappone ha escogitato un approccio che prevede la combinazione di un nanofilo di lunghezza d'onda inferiore con una piattaforma di cristalli fotonici, che riportano questa settimana sul giornale Fotonica APL .

I cristalli fotonici, strutture artificiali il cui indice di rifrazione viene periodicamente modulato, sono al centro del loro lavoro.

"Una piccola modulazione dell'indice di rifrazione locale di un cristallo fotonico produce un forte confinamento della luce che porta a nanorisonatori ottici di altissima qualità, " disse Masaya Notomi, un illustre scienziato senior per i laboratori di ricerca di base NTT. "Sfruttiamo appieno questa caratteristica particolare nel nostro lavoro."

Già nel 2014, questo stesso gruppo ha dimostrato che era possibile confinare fortemente la luce in un nanofilo di lunghezza d'onda inferiore con un diametro di 100 nanometri posizionandolo su un cristallo fotonico di silicio. A quel tempo, "era una dimostrazione preliminare del meccanismo di confinamento, ma con il nostro lavoro attuale abbiamo dimostrato con successo il funzionamento di dispositivi a nanofili a lunghezza d'onda inferiore su una piattaforma di silicio utilizzando questo metodo, " disse Notomi.

In altre parole:mentre un nanofilo a lunghezza d'onda inferiore non può diventare da solo un risonatore con un forte confinamento della luce, posto su un cristallo fotonico provoca la modulazione dell'indice di rifrazione necessaria per generare il confinamento della luce.

"Per il nostro lavoro, prepariamo con cura un nanofilo semiconduttore III-V con guadagno ottico sufficientemente grande e lo posizioniamo all'interno di uno slot di un cristallo fotonico di silicio utilizzando la tecnica di manipolazione delle nanosonda, ' che si traduce in un nanorisonatore ottico, " disse Masato Takiguchi, l'autore principale del documento e un ricercatore che lavora all'interno del gruppo di Notomi presso NTT Basic Research Laboratories. "Con una serie di attente caratterizzazioni, abbiamo dimostrato che questo nanofilo a lunghezza d'onda inferiore può esibire un'oscillazione laser a onda continua e una modulazione del segnale ad alta velocità a 10 Gbps".

Per utilizzare laser a nanofili per l'integrazione fotonica, devono essere soddisfatti tre requisiti essenziali. "Primo, un nanofilo dovrebbe essere il più piccolo possibile per un confinamento della luce sufficientemente forte, che garantisce un ingombro e un consumo energetico ultraridotti, " Takiguchi ha detto. "Secondo, un laser a nanofili deve essere in grado di generare segnali ad alta velocità. Terzo, la lunghezza d'onda del laser dovrebbe essere più lunga di 1,2 micron per evitare l'assorbimento nel silicio, quindi è importante creare laser a nanofili a lunghezza d'onda inferiore a lunghezze d'onda di comunicazione ottica, da 1,3 a 1,55 micron, in grado di modulazione del segnale ad alta velocità".

Infatti, precedenti dimostrazioni di laser basati su nanofili "sono state tutte a lunghezze d'onda inferiori a 0,9 micron, che non può essere utilizzato per circuiti integrati fotonici al silicio, ad eccezione di una dimostrazione di laser pulsati di laser a filo di micron relativamente spessi a 1,55 micron, " ha detto Notomi. Questo è presumibilmente perché il guadagno materiale è più piccolo a lunghezze d'onda più lunghe, il che rende difficile per i nanofili sottili raggiungere il laser.

Oltre questo, "si sono materializzate zero dimostrazioni di modulazione ad alta velocità da parte di qualsiasi tipo di nanofili, " ha osservato. Ciò è dovuto anche al piccolo volume di guadagno.

"Con il nostro lavoro attuale, abbiamo risolto questi problemi combinando un nanofilo e un cristallo fotonico di silicio, " Ha detto Notomi. "Il nostro risultato è la prima dimostrazione di oscillazione laser a onda continua da parte di un nanofilo di lunghezza d'onda inferiore, così come la prima dimostrazione di modulazione del segnale ad alta velocità da parte di un laser a nanofili".

Il gruppo è stato in grado di ottenere una modulazione a 10 Gbps, che è paragonabile al convenzionale, laser ad alta velocità direttamente modulati utilizzati per le comunicazioni ottiche.

"Ciò dimostra che i laser a nanofili sono promettenti per l'elaborazione delle informazioni, in particolare i circuiti integrati fotonici, " disse Notomi.

L'applicazione più promettente per il presente lavoro del gruppo sono i circuiti di integrazione fotonica basati su nanofili, per il quale utilizzeranno vari nanofili diversi per ottenere funzionalità diverse, come laser, fotorilevatori, e interruttori in circuiti integrati fotonici al silicio.

"Si prevede che entro circa 15 anni saranno necessari processori dotati di una rete fotonica su chip, e l'integrazione fotonica basata su nanofili sarà una possibile soluzione, " disse Notomi.

Per quanto riguarda i laser, il prossimo obiettivo del gruppo è l'integrazione di laser a nanofili con guide d'onda di ingresso/uscita.

"Sebbene questo tipo di integrazione sia stato un compito difficile per i dispositivi basati su nanofili, prevediamo che sarà molto più semplice nella nostra piattaforma perché la piattaforma a cristalli fotonici è intrinsecamente superiore in termini di connessione della guida d'onda, " Ha detto Takiguchi. "Mireremo anche al laser guidato dalla corrente a temperatura ambiente."

Il gruppo prevede inoltre di utilizzare la stessa tecnica per creare "dispositivi fotonici diversi dai laser scegliendo diversi nanofili, " ha detto Takiguchi. "Vogliamo dimostrare che siamo in grado di integrare un certo numero di dispositivi fotonici avendo diverse funzionalità su un singolo chip".