La fotonica del silicio arriva sul mercato

La fotonica del silicio, che utilizza chip di silicio per inviare e ricevere segnali luminosi che trasportano dati, promette di rivoluzionare le telecomunicazioni, ma finora è stata in gran parte confinata al laboratorio. Ora Luxtera , una startup con sede a Carlsbad, in California, nata dal California Institute of Technology, ha annunciato il primo cavo ottico basato sulla stessa tecnologia al silicio utilizzata per realizzare i microprocessori. La società afferma che il cavo, chiamato Blazar, può inviare 40 gigabit di dati al secondo attraverso la sua fibra, ma costerà meno degli attuali cavi ottici da 20 gigabit al secondo. Costruito utilizzando l'elaborazione standard di semiconduttori a ossido di metallo complementare, o CMOS, è probabile che il cavo trovi le sue prime applicazioni nei data center e nei cluster di computer.

Fotonica del silicio: (1) Le linee sottili sulla superficie di questo chip sono guide d'onda, canali scavati nel silicio che dirigono la luce. (2) Cinque laser a base di fosfuro di indio montati su uno stampo. (3) I ricercatori Luxtera hanno modificato un pezzo standard di apparecchiature di prova per semiconduttori in modo che possa testare funzioni ottiche ed elettriche. (4) Questo dispositivo accoppia la fibra al chip a base di silicio di Luxtera.

Questo è il primo prodotto fotonica CMOS al mondo, afferma Cary Gunn, CTO di Luxtera. È il culmine di otto anni di sviluppo: sei in Luxtera e, prima ancora, due anni in Caltech.

Oggi, la maggior parte dei dispositivi fotonici, come laser, modulatori, i gadget che codificano i dati su fasci di luce e rivelatori, sono realizzati con materiali costosi non al silicio come il fosfuro di indio e il niobato di litio. È opinione comune che il silicio, sebbene ottimo per applicazioni elettroniche come microprocessori e memoria, non sia adatto per generare, modificare o rilevare la luce. Ma la fotonica al silicio è un campo in rapida evoluzione, grazie alla ricerca presso aziende e università come Intel, IBM, l'Università della California, Santa Barbara e Caltech. (Vedi Intel accelera la fotonica del silicio.)

I clienti a cui Luxtera si rivolge inizialmente sono centri informatici e data center ad alte prestazioni con rack di server collegati a sistemi che si estendono in stanze e magazzini giganti. Questi centri costituiscono la spina dorsale della moderna infrastruttura informatica e sono utilizzati dai fornitori di servizi Internet, dal governo, dall'industria finanziaria, dai ricercatori e dalle società di servizi. E nella stragrande maggioranza di essi, le apparecchiature sono collegate con cavi in ​​rame, che hanno una larghezza di banda limitata che diminuisce con la distanza. Ad esempio, un cavo in rame spesso può fornire solo circa 10 gigabit di dati al secondo su un metro e mezzo.

Poiché il rame, sebbene relativamente poco costoso, è lento e limita la disposizione fisica dei sistemi informatici complessi, gli ingegneri si sono rivolti invece ai cavi in ​​fibra ottica, che forniscono una larghezza di banda molto più elevata e possono allungare distanze di oltre 300 piedi senza perdere la capacità di trasporto dei dati . I cavi ottici sono anche più sottili e molto più flessibili del rame, quindi aiutano a mantenere freschi i data center: i cavi in ​​rame spesso tendono a intrappolare il calore e bloccare l'aria di raffreddamento dalle ventole. Tuttavia, poiché i ricetrasmettitori di un cavo ottico standard, i chip alle sue estremità che inviano e ricevono dati, sono fatti di semiconduttori costosi, il cavo stesso può diventare costoso.

Luxtera spera di rendere i cavi ottici più convenienti utilizzando il silicio in alcune parti del ricetrasmettitore. Gunn spiega che ogni trasmettitore (metà del ricetrasmettitore) nel nuovo cavo contiene un laser al fosfuro di indio relativamente poco costoso. La luce di questo laser è suddivisa in quattro raggi e ogni raggio passa attraverso un modulatore di silicio. Un segnale elettrico, dice Gunn, viene inviato a ciascun modulatore per imprimere il segnale direttamente sull'onda luminosa alla velocità di 10 gigabit di dati al secondo. Quindi un altro dispositivo fotonico al silicio, chiamato lente olografica, lancia la luce in una fibra a basso costo. La lente olografica è incisa litograficamente sulla superficie del chip e sostituisce la serie di lenti presenti in un cavo ottico standard. Dopo essere stata trasmessa lungo la fibra, la luce codificata per i dati passa attraverso un'altra lente olografica e viene diretta su una serie di fotorivelatori a base di fosfuro di indio, che la riconvertono in un segnale elettrico. L'elettronica integrata nello stesso chip CMOS che ospita i dispositivi fotonici amplifica e ripulisce il segnale e lo invia a un ricevitore elettrico. Ogni estremità di un cavo Luxtera Blazar ha un chip che contiene sia un trasmettitore che un ricevitore, afferma Gunn.

Il nuovo prodotto rappresenta il prossimo passo logico nell'utilizzo della fotonica del silicio per l'assemblaggio a basso costo, afferma Alan Willner , professore di sistemi di ingegneria elettrica presso la University of Southern California. La capacità di ospitare insieme vari componenti ottici costituisce un argomento ancora più convincente sul motivo per cui i cavi ottici da 40 gigabit al secondo possono battere il rame, afferma.

E il mercato per tali dispositivi è decisamente buono, afferma Fred Zieber, presidente di Pathfinder Research, una società di analisi tecnologica. È un ottimo prodotto per cose come server farm e complessi di computer, dice. E quel mercato sta crescendo abbastanza velocemente.

Luxtera potrebbe dover superare l'ostacolo di essere una startup e quindi non molto conosciuta e affidabile nel settore, afferma Zieber. Ma aggiunge che l'affidabilità del suo prodotto potrebbe dare un vantaggio all'azienda. Non usano materiale arcano e non mettono insieme molti chip per farlo. Tutto ciò dovrebbe darti un pacchetto più robusto.

Gunn è fiducioso che il cavo troverà clienti e poiché i chip del ricetrasmettitore sono prodotti in numero maggiore, il loro costo potrebbe scendere al punto che i cavi ottici a base di silicio possono persino competere con il rame, cosa che i cavi ottici non in silicio non faranno mai. Man mano che i costi diminuiscono, osserva Gunn, la fotonica al silicio potrebbe andare oltre la semplice fornitura di connessioni tra i sistemi. Guardando oltre, la fotonica al silicio risolverà i colli di bottiglia entro sistemi, dice. I computer domestici i cui circuiti utilizzano la fotonica al silicio invece del cablaggio in rame, aggiunge, sarebbero più veloci e manterrebbero il consumo di energia al minimo.

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