I materiali a cambiamento di fase appena scoperti possono essere un vantaggio per la fotonica

un giorno fa p Rushi Patel La scorsa settimana, gli scienziati dell'Università di Southampton hanno progettato materiali a cambiamento di fase che, come sostengono, potrebbero "rivoluzionare i circuiti ottici" e persino sostituire le parti elettroniche convenzionali. I ricercatori affermano che questo nuovo materiale presenta una perdita bassissima alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni e può essere commutato con una potenza molto bassa. L'elettronica tradizionale per la comunicazione consuma una parte significativa della loro energia a livello di interconnessione e la loro larghezza di banda è direttamente limitata dalla lunghezza della comunicazione.
L'uso di fotoni invece di elettroni mitiga queste limitazioni. È qui che entra in scena il campo della fotonica. Gran parte della comunicazione in fibra ottica avviene nella regione della lunghezza d'onda in cui le fibre ottiche hanno una perdita di trasmissione ridotta.
A una lunghezza d'onda di 1550 nm, la perdita di qualsiasi fibra ottica è minima. I materiali a cambiamento di fase sono progettati e testati a questa lunghezza d'onda per dimostrare i vantaggi per le applicazioni di telecomunicazione. Per competere con i dispositivi elettronici, i dispositivi fotonici devono essere riprogrammabili e riconfigurabili, fornendo al contempo una maggiore integrazione e miniaturizzazione.
La ricerca sui materiali a cambiamento di fase di calcogenuro suggerisce che quando un materiale a cambiamento di fase (PCM) viene riscaldato da impulsi elettrici o ottici , può essere cristallizzato (SET) e riassorbito (RESET). Ciò varia non solo in modo significativo la resistività elettrica ma anche le proprietà ottiche del PCM. La modifica delle proprietà può essere sfruttata per varie applicazioni in fotonica.
I materiali a cambiamento di fase nella fotonica consentono un passaggio molto rapido tra gli stati. I ricercatori dell'Università di Southampton hanno scoperto che tra tutte le tecnologie disponibili, l'utilizzo di Sb2S3 e Sb2Se3 come materiale a cambiamento di fase presenta le perdite più basse. Questi materiali sono stati depositati su chip ottici, dove è stato utilizzato un breve impulso laser per cristallizzare il materiale e cambiare la fase della luce guidata.
I ricercatori hanno dimostrato questa proprietà in modo reversibile migliaia di volte. Inoltre, il materiale ricorda il suo ultimo stato senza alcun segnale applicato, portando a un significativo potenziale risparmio energetico. Sia Sb2S3 che Sb2Se3 sono altamente trasparenti nella lunghezza d'onda delle telecomunicazioni di circa 1550 nm e hanno un indice di rifrazione moderatamente ampio che ben si abbina ai componenti della fotonica del silicio, offrendo quindi due importanti vantaggi rispetto ai materiali convenzionali a cambiamento di fase come GST.
Se integrati su guide d'onda in silicio, questi materiali presentano una perdita di propagazione inferiore di due ordini di grandezza rispetto al materiale ottico comunemente usato (GST — Ge2Sb2Te5). L'optoelettronica fornisce il trasporto di informazioni attraverso guide d'onda e fibre ottiche, abilitando display, memorie e sensori ottici integrati. I sistemi elettronici vengono utilizzati per l'archiviazione dei dati mentre la fotonica ha un vantaggio quando i dati devono essere trasportati.
Oggi i data center hanno sempre più bisogno di gestire enormi quantità di dati a causa di streaming online, archiviazione cloud e cloud computing. Ciò è particolarmente vero durante il COVID-19 con i data center sempre più sovraccaricati a causa dell'ordine di permanenza sul posto. Le interconnessioni ottiche vengono utilizzate nei data center perché possono trasferire i dati a una velocità molto elevata con una perdita di potenza molto più bassa rispetto all'elettronica.
In effetti, questa ricerca dell'Università di Southampton segue la ricerca di Microsoft e University College London, che indica che gli switch ottici potrebbero essere la risposta all'estensione della legge di Moore nei data center. Gli ingegneri nel settore delle telecomunicazioni devono progettare dispositivi come ricetrasmettitori, router e grigliati per guide d'onda (AWG); i circuiti integrati fotonici sono utili in tali applicazioni. L'uso di un PCM appena scoperto dimostra la possibilità di ridurre il consumo di energia e una maggiore gestione dei dati.
La tecnologia sviluppata presso l'Università di Southampton è compatibile con i circuiti fotonici in silicio esistenti, il che lo rende pronto per il "trasferimento di tecnologia" ad applicazioni utilizzate commercialmente. Questa capacità apre le porte al calcolo neuromorfo, consentendo un flusso controllato di ioni / fotoni per aiutare i neuroni artificiali a comunicare tra loro. Si potrebbe confrontare questo con le attuali reti neurali profonde, in cui la complessità computazionale è elevata e presenta un notevole consumo di energia.
Oltre a ciò, questa nuova tecnologia (rapido cambiamento di fase) nella fotonica stimolerà la crescita di nuove applicazioni emergenti come LiDAR a stato solido e calcolo quantistico che sono attualmente limitate dalle prestazioni dei materiali esistenti. Un altro motivo per cui i materiali a cambiamento di fase (PCM) mostrano la promessa è che i PCM, a differenza degli effetti optoelettronici nei materiali convenzionali (come Si, LiNbO3), le proprietà dei PCM possono cambiare rapidamente e in modo drammatico. Inoltre, possono essere mantenuti in stati non volatili senza distorsioni elettriche o ottiche sostenute.
Pertanto, i ricercatori del MIT, dell'Università della Pennsylvania, dell'Università del Minnesota, della Purdue University e dell'Università del Maryland hanno scoperto che i dispositivi fotonici che utilizzano PCM possono presentare dimensioni più ridotte e un consumo energetico inferiore rispetto ai dispositivi basati su materiali optoelettronici tradizionali. "I circuiti ottici quantistici sono all'orizzonte e sono necessari componenti di perdita ultraleggera per compiere il passo successivo nel controllo e nel routing delle informazioni quantistiche", afferma il professor Otto Muskens, capo del gruppo integrato di nanofotonica. Uno dei principali obiettivi della ricerca sulla fotonica è colmare il divario tra la fotonica e l'elettronica e colmare una transizione tra i due campi, superando infine i limiti dell'elettronica tradizionale.
Questa svolta può essere una chiave per consentire circuiti integrati fotonici completi ( PIC), ma questa potenziale sostituzione delle attuali tecnologie richiederà probabilmente molti anni prima che possiamo vedere un balzo in avanti nel calcolo fotonico.