Design & Simulation of Photonic Integrated Circuits

L’integrazione del transistor ha fatto evolvere l’elettronica a partire dal 1965 con dispositivi costosi, grossi e semplici a circuiti complessi, sottili ed economici nel 2020. L’abilità di includere miliardi di transistors in un chip di silicio ha reso possibile la maggior parte della tecnologia attuale. Questo sviluppo ha avuto implicazione in molti campi, dalla conversione digitale della radio alla simulazione di sistemi complessi in aggregati di supercomputers. Il trend della miniaturizzazione del transistor fu osservata da Gordon Moore nel 1965. Lui fu un pioniere dell’integrazione elettronica e predí che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppiasse ogni due anni. Cinquant’anni dopo, nel momento in cui l’elettronica raggiunse dimensioni nanometriche, questa previsione incominciò a mostrare sintomi di falli-mento. Nel frattempo, l’emergere dell’era dei dati spinta dallo sviluppo di un’internet globale ha creato un bisogno di un’informazione di alta qualità largamente diffusa. Ad oggi gli utilizzatori finali riscontrano limitazioni di connessione e di trasferimento di dati fra i loro dispositivi e il mondo esterno, piuttosto che limitazioni di performance del processore nei dispositivi per se.Fu a causa di questo bisogno che le soluzioni su fibra ottica presero piede. La fibra ottica offre maggiori velocità con minori perdite rispetto alle comunicazioni basate su rame, permettendo il trasferimento di dati a livello planetario. La transizione ha raggiunto reti locali nell’ultimo decennio ed ha migliorato di un ordine di grandezza la frequenza dello scambio dati tra i nodi. Affinché la fotonica possa raggiungere sempre più dispositivi connessi in rete, sistemi via via più economici e piccoli sono richiesti. Inoltre, la possibilità di scambiare grandi quantità di dati ad alta velocità ha reso i dati nei servers più appetibili per l’utilizzatore finale, come provato dall’emergere dei centri di dati distribuiti e dalla diffusione del gioco e dei servizi video in streaming. Tutti questi servizi hanno bisogno di un ‘infrastruttura per lo stoccaggio e la distribuzione di molti dati che sia affidabile ed economicamente fruttuosa. Per cui non desta sorpresa osservare l’emergere dell’integrazione fotonica. Il processo é simile a quello sperimentato nel XX secolo con la microelettronica con l’eccezione che la piattaforma a base di silicio é già sviluppata. La transizione ai Circuiti Fotonici Integrati (PIC)é più veloce e potremmo vedere l’utilizzazione della fotonica non solo nei sistemi di dati dis-tribuiti ma anche inclusi nei dispositivi, come in computers e smartphones, arrivando fino all’introduzione di nuove tecnologie come LIDAR e computer quantistici. In questa tesi, la fisica della fotonica integrata é descritta nel capitolo 3. Nel capitolo 4 i dispositivi fotonici più comuni come gli Accoppiatori Direzionali (DirCoup), Interferenza Multimodale (MMI), Risonatori ad Anello (RR), Interferometro Mach-Zender (MZI) e Convertitore della dimensione dello Spot (SSC) sono presentati e descritti con una sezione aggiuntiva sul Phase Shifter (PS) dove una panoramica sui dispositivi attivi viene fatta. Infine nel capitolo 5il flusso di lavoro per il design dei PICs é discusso mentre alcuni esempi pratici sviluppati in Ligentec sono presentati nel capitolo 6.