Velocità Pazzesca: Vi presento il Chip da 3.5 Tbps che Rivoluziona la Fotonica!

Avete presente la fame insaziabile di dati del mondo moderno? Streaming 4K, cloud computing, l’esplosione dell’intelligenza artificiale (AI)… tutto chiede più banda, più velocità, più efficienza. Le nostre infrastrutture digitali sono sotto pressione e le vecchie connessioni elettriche iniziano a mostrare i loro limiti fisici. Ma se vi dicessi che nel campo della fotonica, la scienza che usa la luce per trasmettere informazioni, abbiamo appena fatto un passo da gigante? Tenetevi forte, perché sto per parlarvi di un chip che promette di cambiare le regole del gioco.

La Sfida: Scalare la Potenza del Niobato di Litio

Da tempo, gli occhi dei ricercatori sono puntati su un materiale dalle proprietà quasi magiche: il niobato di litio (LiNbO₃) su film sottile. Immaginatelo come una supercar dei materiali fotonici: ha un coefficiente elettro-ottico pazzesco (cioè converte segnali elettrici in segnali ottici con un’efficienza incredibile), confina la luce in modo eccellente e ha una finestra di trasparenza molto ampia. Perfetto, no? Beh, quasi.

Il problema principale è sempre stato la scalabilità e il costo. Finora, la maggior parte dei dispositivi fotonici su LiNbO₃, sia quelli passivi (come le guide d’onda) che quelli attivi (come modulatori o laser), venivano realizzati a livello di singolo chip o “chiplet”. Un processo lento, costoso e poco adatto alla produzione di massa necessaria per rivoluzionare davvero le comunicazioni. Inoltre, integrare materiali diversi, come quelli a bandgap diretto (necessari per creare laser e fotorivelatori efficienti) sul LiNbO₃ su larga scala (a livello di wafer, cioè l’intera “fetta” di silicio o altro materiale su cui si costruiscono i chip) era una sfida ancora aperta. In particolare, realizzare fotorivelatori e ricevitori ottici coerenti ultra-veloci su questa piattaforma era considerato il Sacro Graal, fondamentale per le interconnessioni ottiche ad altissima velocità e per le nuove frontiere del sensing e della comunicazione a onde millimetriche (mmWave) e Terahertz (THz).

La Nostra Soluzione: L’Integrazione Wafer-Level InP-LiNbO₃

Ed è qui che entriamo in gioco noi. Per superare questi ostacoli, abbiamo sviluppato una piattaforma di integrazione eterogenea scalabile a livello di wafer che combina il meglio di due mondi: il fosfuro di indio (InP), ottimo per generare e rilevare la luce, e il niobato di litio (LiNbO₃), imbattibile nella modulazione ad alta velocità. Pensatela come un modo per costruire strutture complesse usando mattoncini LEGO® di materiali diversi, ma facendolo su un’intera “base” (il wafer) in un colpo solo, rendendo il processo molto più efficiente e potenzialmente meno costoso.

Questa piattaforma ci ha permesso di fare qualcosa di mai visto prima su LiNbO₃: creare fotorivelatori (PD) con una larghezza di banda sbalorditiva di 140 GHz! Questi piccoli mostri sono capaci di ricevere segnali complessi come il PAM4 (Pulse Amplitude Modulation a 4 livelli) a 100 Gbaud (miliardi di simboli al secondo) con una qualità eccellente. Ma non ci siamo fermati qui.

Il Protagonista: Un Ricevitore Coerente da Record

Il vero gioiello che abbiamo realizzato su questa piattaforma è un chip ricevitore coerente I-Q a singola polarizzazione con ben sette canali. Cos’è un ricevitore coerente? In parole semplici, è un dispositivo super sofisticato capace di decodificare segnali ottici molto complessi, estraendo non solo l’intensità della luce (come nei sistemi più semplici), ma anche la sua fase e polarizzazione. Questo permette di stipare molti più dati nella stessa fibra ottica.

E il nostro chip lo fa a velocità stratosferiche. La capacità aggregata di ricezione di questo singolo chip raggiunge l’incredibile cifra di 3.584 Terabit al secondo (Tbps)! Per darvi un’idea, sono quasi 3600 Gigabit al secondo. Ogni singolo canale di questo ricevitore può gestire:

• Segnali 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation a 64 livelli) a 100 Gbaud, per una capacità di 600 Gbit/s per lunghezza d’onda (λ⁻¹).
• Segnali 16-QAM a 128 Gbaud, per una capacità di 512 Gbit/s per lunghezza d’onda (λ⁻¹).

Tutto questo è reso possibile da componenti chiave integrati sul chip:

• Un ibrido ottico a 90° compatto e ad alte prestazioni, che mescola il segnale ricevuto con un laser locale di riferimento.
• Un array di fotodiodi bilanciati (balanced PD) ad alta velocità, con una larghezza di banda di rilevamento bilanciata di 60 GHz e un rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) superiore a 20 dB (un valore ottimo che indica la capacità di eliminare il rumore).

E la ciliegina sulla torta? L’efficienza energetica. Abbiamo misurato consumi bassissimi, fino a 9.6 femtojoule per bit (fJ/bit) per capacità di 200 Gbit/s e 13.5 fJ/bit per 400 Gbit/s. Questo è fondamentale, perché nei data center l’energia consumata è un fattore critico.

Messo alla Prova: Numeri da Capogiro

Ovviamente, non ci siamo fidati solo delle simulazioni. Abbiamo messo alla prova i nostri dispositivi in laboratorio.
Il singolo fotodiodo da 140 GHz ha demodulato segnali PAM4 fino a 100 Gbaud (equivalenti a 200 Gbit/s) con un tasso di errore (BER) inferiore alla soglia di correzione degli errori standard (HD-FEC), dimostrando la sua idoneità per le interconnessioni a corto raggio (intra-datacenter).

Il ricevitore coerente ha brillato ancora di più:

• Ha ricevuto segnali QPSK (un formato più semplice) a 100 Gbaud (200 Gbit/s) senza errori (error-free) in trasmissione back-to-back (B2B).
• Ha gestito segnali 16-QAM a 100 Gbaud (400 Gbit/s) e 128 Gbaud (512 Gbit/s), e persino 64-QAM a 100 Gbaud (600 Gbit/s), rimanendo sotto le soglie FEC più avanzate (SD-FEC).
• Ha dimostrato la sua robustezza anche su lunghe distanze: un segnale QPSK a 100 Gbaud è stato ricevuto dopo 1040 km di fibra ottica, e un segnale 16-QAM a 100 Gbaud dopo 25 km.
• Infine, abbiamo testato tutti e sette i canali contemporaneamente, ricevendo segnali 16-QAM a 128 Gbaud su ciascuno, raggiungendo la capacità totale di 3.584 Tbps su un singolo chip!

È importante sottolineare che questi risultati sono stati ottenuti senza l’uso di amplificatori a radiofrequenza (RF) esterni, il che contribuisce enormemente al basso consumo energetico.

Perché è Importante? Le Applicazioni Future

Questo lavoro apre scenari davvero entusiasmanti. Stiamo parlando di una tecnologia che potrebbe:

• Abilitare interconnessioni nei data center hyperscale dell’ordine dei Petabit al secondo (Pbps), fondamentali per sostenere la crescita dell’AI e del cloud.
• Spingere i limiti delle comunicazioni ottiche a lunga distanza.
• Fornire componenti chiave per i sistemi di sensing e comunicazione a onde millimetriche e THz, cruciali per il futuro 6G e oltre.
• Migliorare le prestazioni dei sistemi di fotonica a microonde (MWP), aumentando guadagno, figura di rumore e range dinamico.

La nostra piattaforma InP-LiNbO₃ a livello di wafer non solo permette di creare ricevitori record, ma apre anche la porta all’integrazione monolitica di laser, modulatori e ricevitori sullo stesso chip di niobato di litio, riducendo drasticamente la complessità dell’assemblaggio e aumentando la densità di integrazione.

Uno Sguardo al Futuro

Siamo solo all’inizio. La larghezza di banda dei nostri fotodiodi potrebbe teoricamente superare i 200 GHz con ulteriori ottimizzazioni. La capacità di ricezione è attualmente limitata dalla banda dei modulatori I-Q e dei generatori di forme d’onda arbitrarie (AWG) disponibili in laboratorio; con componenti migliori, potremmo raggiungere capacità ancora maggiori. La possibilità di integrare tutto su un unico chip (laser, modulatore, ricevitore) è il prossimo grande passo.

In Conclusione: Un Salto nel Futuro della Comunicazione

Quello che abbiamo dimostrato è più di un semplice chip veloce. È la prova che l’integrazione eterogenea a livello di wafer tra InP e LiNbO₃ è una strada percorribile e incredibilmente promettente. Abbiamo stabilito nuovi record di larghezza di banda, capacità e efficienza energetica per i ricevitori coerenti integrati. Credo fermamente che questa tecnologia rappresenti una tessera fondamentale del puzzle per costruire le infrastrutture di comunicazione del futuro, capaci di sostenere un mondo sempre più connesso e affamato di dati. Il viaggio è appena iniziato, ma la direzione è chiara: verso velocità e capacità che fino a poco tempo fa sembravano fantascienza.

Fonte: Springer