Ricerca: rivoluzione nelle telecomunicazioni, realizzato in Italia il primo modulatore ottico di fase in grafene

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio: ha la resistenza meccanica del diamante, la flessibilità della plastica e particolari proprietà ottiche ed elettriche

modulatore ottico grafene

Il futuro delle telecomunicazioni e della trasmissione dei dati ad altissima capacità passa dal grafene e dal contributo dell’Italia. Il gruppo di ricerca congiunto tra Istituto TeCIP (Tecnologie della Comunicazione, Informazione, Percezione) della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT), coordinato da Marco Romagnoli, responsabile della produzione su larga scala dei componenti optoelettronici per Graphene Flagship, il più grande programma di ricerca europeo con 150 partner e un budget di 1 miliardo di euro, ha pubblicato su Nature Photonics la dimostrazione del primo modulatore ottico di fase al mondo, realizzato in grafene e silicio. Si tratta di un innovativo dispositivo fotonico utilizzato per la conversione dei dati elettronici in dati ottici in maniera estremamente efficiente. Il nuovo dispositivo ha dimensioni di circa mezzo millimetro, è potenzialmente compattabile fino a un decimo di millimetro ed è basato su micro-fotonica in silicio (la cosiddetta “Silicon Photonics”) e un singolo strato di grafene, strato monoatomico di carbonio con spessore inferiore al miliardesimo di metro.

Questa ricerca è stata resa possibile grazie all’impegno della Scuola Superiore Sant’Anna, che supportata da Regione Toscana e da numerose collaborazioni industriali, ha investito negli ultimi anni nelle tecnologie per l’integrazione fotonica costituendo un ecosistema di grande rilevanza sul territorio nazionale ed internazionale nel campo dei componenti ottici attraverso il centro INPHOTEC. La dimostrazione, pubblicata su Nature Photonics, nasce da una collaborazione che coinvolge anche IMEC, leader europeo nella ricerca nanoelettronica e le tecnologie digitali e l’Università di Cambridge.

I sistemi di trasmissione in fibra ottica hanno permesso lo sviluppo di internet garantendo una costante crescita a costi invariati se non decrescenti per gli utenti. I sistemi in fibra ottica che utilizzano la luce come mezzo per il trasporto dei dati si sono affermati dagli anni ’80 del XX secolo come gli strumenti più efficienti per realizzare le reti di telecomunicazione ad alta capacità, alla base della rivoluzione informatica degli ultimi 30 anni. Processori e memorie elettroniche sempre più potenti hanno consentito la manipolazione di una quantità crescente di dati, che ha portato allo sviluppo della moderna società dell’informazione. Questo sviluppo non sarebbe stato possibile senza il costante sviluppo delle tecnologie e dei sistemi di trasmissione, diventati sempre più performanti grazie alle innovazioni nel campo delle comunicazioni ottiche.

Oggi, infatti, i sistemi di trasmissione ottici sono utilizzati non soltanto per realizzare le grandi reti geografiche che collegano città, stati e continenti e le reti metropolitane o di accesso, la nota “fibra” che arriva nelle case degli utenti, ma anche per interconnettere al loro interno i datacenter e i supercomputer, che sono alla base del cloud-computing, deisocial network, degli shop online. Per questo motivo è importante sviluppare dispositivi sempre più integrati, compatti, e che presentino un ridotto consumo energetico.

La progressiva adozione di tecnologie ottiche per connessioni dati – sempre più ridotte in termini di distanze, via via che queste tecnologie si rendono disponibili e dimostrano una convenienza di prestazioni e costi – porterà in un prossimo futuro a utilizzarle all’interno dei calcolatori elettronici per interconnettere gli elementi base dei computer come i processori, le memorie e le periferiche. Questo porterà ad un elevato aumento delle prestazioni complessive dei dispositivi elettronici e sarà reso possibile soltanto grazie all’integrazione fotonica e alla corrispondente riduzione delle dimensioni e dei consumi dei dispositivi.

La ricerca condotta dal gruppo misto Sant’Anna – CNIT ha evidenziato come sia promettente in questo contesto lo sviluppo di componenti in silicio con l’utilizzo del grafene. È possibile infatti realizzare nuovi dispositivi di questo tipo utilizzando le stesse infrastrutture e gli stessi processi tecnologici usati per produrre i componenti microelettronici, quindi senza grandi ulteriori costi di sviluppo.  Le peculiari proprietà fisiche del grafene –  materiale compatibile con queste tecnologie, economico, e particolarmente performante – possono aggiungere funzionalità ai nuovi dispositivi realizzando prestazioni finora irraggiungibili.

“Il modulatore ottico di fase, la cui funzionalità è stata dimostrata recentemente, insieme agli altri nuovi componenti che utilizzano il grafene, può diventare un tassello essenziale per lo sviluppo delle piattaforme di telecomunicazione e dati ad altissima densità e velocità, necessari per sostenere il tumultuoso aumento delle trasmissioni richiesto dalle nuove piattaforme legate al 5G, lo ‘smart manufacturing’ (la ‘quarta rivoluzione industriale’) e l’Internet delle cose ”, dichiara Giampiero Contestabilericercatore all’Istituto TeCIP (Tecnologie della Comunicazione, Informazione, Percezione) della Scuola Superiore Sant’Anna e co-autore dell’articolo su Nature Photonics.

In copertina: il microchip contenente il modulatore ottico di fase in silicio e grafene


Riferimenti della pubblicazione su Nature Photonics

V. Sorianello, M. Midrio, G. Contestabile, I. Asselberghs, J. Van Campenhout, C. Huyghebaert, I. Goykhman, A. K. Ott, A. C. Ferrari and M. Romagnoli, “Graphene–silicon phase modulators with gigahertz bandwidth”, Nature Photonics 12, 40–44, January 2018

Glossario

  • Grafene. Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica e particolari proprietà ottiche ed elettriche. Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004 sono valse il premio Nobel per la fisica nel 2010. In particolare, un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in grado di assorbire il 2.3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo spettro ottico.
  • Graphene Flagship. Il più grande programma di ricerca europeo con 150 partner e un budget di 1 miliardo di euro si propone attraverso consorzi misti accademico-industriali di coprire l’intera catena del valore del grafene dalla produzione del materiale, alla realizzazione dei componenti e l’integrazione di sistemi che possano sfruttare le proprietà uniche del grafene.
  • Modulatore ottico. Il modulatore ottico è un dispositivo che viene utilizzato per modulare il fascio di luce. È in linea di principio basato su di un chip che sfrutta effetti elettro-ottici, dando luogo ad una modulazione del fascio ottico da cui è attraversato, coerentemente con il segnale elettrico che viene fornito in ingresso. La modulazione può essere di fase, frequenza o ampiezza. Il modulatore trasforma così l’informazione ad alto bit-rate dal dominio elettrico a quello ottico. Costituisce un elemento di base in una rete in fibra ottica, dove è posto sempre in cascata ad una sorgente (un laser) e serve per modularne la potenza ottica inserendovi l’informazione da trasmettere.