Il chip ottico più veloce del mondo

Nel suo laboratorio a Sunnyvale, in California, David Welch, cofondatore della startup di telecomunicazioni Infinera, tiene in mano una striscia rigida larga due centimetri con quattro rettangoli modellati color oro. È fatto di fosfuro di indio, un semiconduttore apprezzato per le sue proprietà ottiche. L'aspetto semplice del chip smentisce la sua complessa ingegneria e lascia intendere che potrebbe essere la chiave per fornire a buon mercato la larghezza di banda richiesta da un mondo dipendente da YouTube.

Qui sono mostrati quattordici circuiti integrati fotonici da 100 gigabit posti in un supporto di plastica per i test delle prestazioni.

Il gadget è chiamato circuito integrato fotonico e rappresenta un importante progresso pratico nella trasmissione ottica dei dati. Dall'inizio degli anni '90, tale trasmissione si è sempre più basata su una tecnica chiamata multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM). Con WDM, i dati vengono codificati su un massimo di 80 raggi laser, ciascuno con una lunghezza d'onda diversa. Questi raggi vengono quindi combinati per un viaggio lungo una fibra ottica più sottile di un capello umano. In un nodo all'altra estremità della fibra, i raggi vengono suddivisi nelle lunghezze d'onda costituenti e l'informazione viene trasformata nei segnali elettrici che raggiungono i nostri computer.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2007

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L'attrezzatura ottica necessaria per fare tutto questo include laser che inviano luce, multiplexer che la suddividono o la ricombinano, modulatori che la codificano con i dati e rilevatori che la ricevono. Tradizionalmente, questi dispositivi sono stati alloggiati nei loro piccoli pacchetti, ciascuno delle dimensioni di un pacchetto di gomme da masticare, e le loro combinazioni erano ingombranti, costose e talvolta inaffidabili. Infinera, fondata nel 2001 da dirigenti e tecnologi veterani di leader delle telecomunicazioni ottiche come Ciena e JDS Uniphase, ha deciso di inserire dozzine di tali componenti su un chip, nel modo in cui gli ingegneri elettrici combinano i transistor in un circuito elettronico integrato. Quello che nessuno aveva cercato di fare era essenzialmente mettere un intero sistema WDM su una coppia di chip [uno da inviare, l'altro da ricevere], e nessuno aveva provato a produrlo commercialmente, afferma Welch. Infinera non solo ha provato a fare entrambe le cose, ma ci è riuscita.

Nel 2004 l'azienda ha introdotto il primo circuito integrato fotonico su larga scala, un chip con 50 componenti ottici su nanoscala modellati sulla sua superficie. In precedenza, altri produttori di chip ottici erano riusciti a integrare solo alcuni di questi dispositivi su un singolo chip. Il primo dispositivo Infinera era in grado di inviare o ricevere 100 gigabit di informazioni al secondo. Ora l'azienda ha dimostrato un chip da 400 gigabit ed è a buon punto nello sviluppo di quello che descrive come il chip ottico più veloce al mondo, una versione da 1,6 terabit che prevede di commercializzare entro diversi anni. Le quattro toppe dorate sul chip nella mano di Welch contengono un sorprendente totale di 240 componenti ottici modellati.

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• Una demo di come Infinera realizza reti ottiche ultraveloci

Naturalmente, nonostante i vantaggi teorici di un Internet completamente ottico, nessuna rete si basa interamente sull'ottica. Le apparecchiature nei nodi di rete convertono i segnali ottici in elettrici in modo da poterli ripulire e amplificarli o inviarli a un computer. La tecnologia di Infinera fa anche questo, passando alcuni lavori ai microprocessori su un circuito che poi li trasferirà di nuovo.

Ma il circuito integrato fotonico ha ridotto il costo e la complessità del processo di conversione. Questo vantaggio, a sua volta, ha permesso a Infinera di promuovere una nuova architettura di rete, essenzialmente una con più nodi di rete. Altre aziende avevano cercato di contenere i costi riducendo il numero di nodi, con i loro dispositivi ottici tradizionalmente ingombranti.

Avere più nodi significa più flessibilità per aggiungere punti di accesso e una più facile manutenzione e rilevamento dei guasti. In questo modo è più facile combinare i vantaggi dell'ottica e dell'elettronica. E il pacchetto Infinera, chip e circuiti stampati, occupa un quinto dello spazio della tecnologia convenzionale.

Alla fine dello scorso anno il consorzio Internet2, un gruppo di oltre 300 centri di ricerca governativi, universitari e aziendali degli Stati Uniti che necessitano di un'elevata larghezza di banda per condividere qualsiasi cosa, dai dati di fisica delle particelle alle immagini mediche, ha iniziato a implementare una nuova rete ottica che utilizza i sistemi di Infinera. La tecnologia di Infinera è unica, afferma Steve Cotter, direttore dei servizi di rete di Internet2. Invece di cercare di evitare le transizioni ottico-elettriche, le hanno rese convenienti.

Fabbricazione fotonica

Realizzare i chip Infinera non è un compito semplice. I dispositivi ottici sono strutture tridimensionali, molto più difficili da produrre rispetto ai transistor in silicio bidimensionali. Realizzare laser, rilevatori, modulatori e altri componenti del chip finito richiede il deposito e l'incisione ripetuti di molti strati sottili di materiali diversi, come l'arseniuro di indio gallio e il fosfuro di indio.

Il processo di Infinera inizia con un wafer di fosfuro di indio. Il wafer si muove lungo una catena di montaggio, dove è rivestito con una sostanza chimica sciropposa chiamata photoresist. La luce ultravioletta brilla attraverso una maschera con disegni simili a stencil e irradia il fotoresist, sviluppando in modo efficace schemi intricati che consentono a parte del materiale semiconduttore di rimanere sul wafer e ad altri di essere inciso.

Ad alto livello, è la stessa della fotolitografia che aziende come Intel usano per realizzare microprocessori in silicio per il tuo PC. Ma c'è una differenza importante. In un chip Intel, è tutto silicio. In ottica si utilizzano vari semiconduttori con varie funzioni, afferma Welch. E i wafer di fosfuro di indio passano attraverso molti più cicli di deposizione e incisione rispetto ai wafer di silicio. Infinera è a denti stretti sui dettagli del suo processo di produzione, che è stato progettato con l'aiuto di ingegneri esperti in attività come la produzione di microchip di silicio e la produzione di massa di diodi a emissione di luce. Welch afferma che la società ha brevetti esclusivi su aspetti chiave della tecnologia per posizionare un gran numero di dispositivi su wafer di fosfuro di indio.

Il chip da 1,6 terabit differisce dalla versione da 100 gigabit in gran parte per il numero di dispositivi modellati su di esso. Ciascun chip da 100 gigabit contiene, tra gli altri componenti, 10 laser, 10 rilevatori, 10 modulatori (che codificano i dati accendendo e spegnendo la luce) e 10 guide d'onda che dirigono i fotoni in un multiplexer. I 240 componenti del chip da 1,6 terabit includono 40 laser, 40 rilevatori, 40 modulatori e 40 canali. E ogni modulatore codifica i dati quattro volte più velocemente.

Dopo che i wafer si staccano dalla linea, vengono tagliati a pezzetti, diverse centinaia. Infine, i chip vengono testati per potenziali malfunzionamenti, combinati con chip elettronici costruiti da Infinera su un dispositivo chiamato scheda di linea e installati in unità di rete ottica per la spedizione.

La domanda di servizi video e voce su Internet sta esplodendo, minacciando di sopraffare la tipica connessione a banda larga, che trasmette tra uno e sei megabit al secondo. Pensiamo tutti che le persone avranno bisogno di 25, 50 o 100 megabit, afferma Welch. Per soddisfare tale domanda, le società Internet dovranno imballare più apparecchiature in stazioni di commutazione già sovraffollate. Con il traffico Internet che cresce dal 60 al 100% all'anno, non è possibile continuare a installare rack delle dimensioni di un frigorifero nel seminterrato, afferma Welch. L'integrazione fotonica diventa la tecnologia che consente a Internet di crescere.

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