Immagine SEM parziale della matrice di commutazione:l'intera struttura modellata nello strato di silicio superiore mediante incisione a secco sembra "galleggiare" quando l'ossido viene rimosso. Ciascuna unità matrice contiene un azionamento a pettine elettrostatico che può spostare selettivamente porzioni delle guide d'onda per stabilire un percorso di luce desiderato da una delle 32 porte di ingresso a una delle 32 porte di uscita. Credito:Han et al.
Una delle sfide tecniche che l'attuale rivoluzione dei dati deve affrontare è trovare un modo efficiente per instradare i dati. Questo compito è solitamente svolto da interruttori elettronici, mentre i dati stessi vengono trasferiti utilizzando la luce confinata in guide d'onda ottiche. Per questa ragione, sono necessarie la conversione da un segnale ottico a uno elettronico e la retroconversione, che costa energia e limita la quantità di informazioni trasferibili. Questi inconvenienti sono evitabili con un funzionamento completo dell'interruttore ottico. Uno degli approcci più promettenti si basa sui sistemi microelettromeccanici (MEMS), grazie a vantaggi decisivi come bassa perdita ottica e consumo energetico, integrazione monolitica, e alta scalabilità. Infatti, il più grande interruttore fotonico mai dimostrato utilizza questo approccio.
Fino ad ora, quegli interruttori fotonici MEMS sono stati fabbricati utilizzando processi non standard e complessi in ambienti di laboratorio, che ne ha reso difficile la commercializzazione. Ma i ricercatori dell'Università della California Berkeley hanno avviato una collaborazione che ha riunito ingegneri di diverse università di tutto il mondo per dimostrare che le difficoltà potevano essere superate. Hanno creato un interruttore MEMS fotonico utilizzando un processo di fabbricazione di semiconduttori di ossido di metallo complementare (CMOS) disponibile in commercio senza modifiche. L'uso di questa nota piattaforma di microfabbricazione rappresenta un enorme passo avanti verso l'industrializzazione perché è compatibile con la maggior parte delle tecnologie attuali, conveniente, e adatto per la produzione di grandi volumi.
Cambia fabbricazione
Nella loro ricerca, recentemente pubblicato in SPIE's new Journal of Optical Microsystems , l'interruttore fotonico è stato fabbricato su wafer di silicio su isolante (SOI) da 200 mm utilizzando normali processi fotolitografici e di incisione a secco in una fonderia commerciale. L'intero circuito integrato fotonico è incluso nello strato superiore di silicio, che ha il vantaggio di limitare il numero di fasi di fabbricazione:ci sono due diversi processi di incisione a secco, un sollevamento per creare interconnessioni metalliche, e il rilascio finale dei MEMS mediante attacco con ossido. Il design dello switch include 32 porte di ingresso e 32 porte di uscita, che rappresenta una matrice 32 x 32 (la dimensione intera è 5,9 mm x 5,9 mm) dello stesso elemento replicato. In ciascuno dei singoli elementi, il trasferimento di luce da un canale all'altro è prodotto diminuendo la distanza tra due guide d'onda per accoppiare i loro modi, un'operazione ottenuta da un pettine elettrostatico incluso anche nello strato superiore di silicio.
"Per la prima volta, interruttori fotonici MEMS integrati e su larga scala sono stati fabbricati in una fonderia commerciale su wafer SOI da 200 mm. Secondo me, questa è una dimostrazione convincente che questa tecnologia è adatta per la commercializzazione e la produzione di massa. Potrebbero essere incorporati nei sistemi di comunicazione dati nel prossimo futuro, " ha detto Jeremy Béguelin, uno dei ricercatori di Berkeley.
L'architettura dell'interruttore MEMS fotonico al silicio con accoppiatori direzionali regolabili con gap. La luce viene accoppiata al chip tramite gli accoppiatori a reticolo. Ci sono due coppie di accoppiatori direzionali e un attuatore a pettine per cella unitaria. I percorsi della luce sul chip sono controllati modificando la spaziatura del gap di ciascun accoppiatore direzionale. Credito:Han et al.
percorso promettente
I ricercatori hanno valutato le prestazioni degli interruttori fotonici misurando diversi parametri importanti:la perdita di potenza luminosa attraverso l'intero interruttore di 7,7 dB, la larghezza di banda ottica di circa 30 nm alla lunghezza d'onda di 1550 nm, e la velocità dell'operazione di commutazione di 50 μs. Questi valori sono già eccellenti rispetto ad altri approcci di commutazione fotonica, e modi per migliorarli sono già stati identificati.
Utilizzando un processo di fabbricazione compatibile con CMOS e wafer SOI, il team di ricerca ha creato un interruttore fotonico robusto ed efficiente basato sulla tecnologia MEMS. Tale lavoro apre un promettente percorso verso la commercializzazione e la produzione di massa di interruttori fotonici grandi e integrati, un futuro componente chiave delle reti di comunicazione dati.
