Circuiti fotonici: analisi e dimensionamento di dispositivi ottici a scala nanoscopica e microscopica

I circuiti fotonici a scala nanoscopica e microscopica rappresentano una frontiera avanzata nel campo della fotonica e delle nanotecnologie. Tra i numerosi vantaggi offerti rispetto ai circuiti elettronici tradizionali, vi sono una maggiore velocità di elaborazione dell’informazione e una minore dissipazione di calore.

Circuiti fotonici nanoscopici

Questi circuiti operano su scale di decine/centinaia di nanometri, permettendo di raggiungere livelli di miniaturizzazione e prestazioni che sono impossibili da ottenere con tecnologie micrometriche. Riportiamo di seguito alcuni ambiti di ricerca per la realizzazione di circuiti ottici sempre più compatti:

Metamateriali

Sono “materiali artificiali” che possiedono proprietà ottiche straordinarie non presenti nei materiali naturali. Sono impiegati per manipolare onde elettromagnetiche con un controllo senza precedenti.

Plasmonica

Utilizzando le onde di plasma superficiale (plasmoni) che si propagano lungo la superficie di metalli nanostrutturati, queste strutture permettono di confinare la luce a dimensioni inferiori rispetto alla lunghezza d'onda della luce. Sono futuri candidati per la realizzazione di sensori ad altissima sensibilità.

Nanocristalli e quantum dots

Sono nanocristalli semiconduttori che possono emettere luce quando eccitati. Vengono utilizzati nei display e nei visori AR.

Nanofibre e nanofilamenti

Guide d'onda ottiche di dimensioni nanometriche che propagano la luce con perdite molto basse. Sono impiegati in circuiti fotonici integrati.

Circuiti fotonici microscopici

I circuiti fotonici microscopici, o circuiti fotonici integrati (PIC, Photonic Integrated Circuits), rappresentano una tecnologia avanzata che utilizza la luce per eseguire operazioni di trasmissione, elaborazione e rilevazione delle informazioni su scala microscopica. Questi circuiti sfruttano proprietà uniche della fotonica quali la capacità di trasmettere dati ad altissima velocità e con larghezza di banda elevata superando le limitazioni dei circuiti elettronici tradizionali. Esempi di Photonic Integrated Circuits sono:

Risuonatori ottici e microcavità

Strutture che intrappolano la luce in piccoli volumi, aumentandone l'interazione con la materia. Sono diffusi nei laser microscopici, nei biosensori e per lo studio delle interazioni luce-materia.

Modulatori elettro-ottici

Questi modulatori cambiano le proprietà ottiche di un materiale quando viene applicato un campo elettrico. Un esempio comune è il modulatore a cristallo liquido dei display LCD.

Splitter a fibra ottica

Sono costituiti da una fibra ottica chiamata fibra a “divisore d'onda”. La fibra a divisore d'onda è progettata in modo tale che la luce incidente venga divisa in base alla sua lunghezza d'onda. I tipi più comuni di splitter a fibra ottica sono gli splitter basati su reticoli di diffrazione o a guide d'onda.

Interferometri microscopici

Dispositivi che sfruttano l'interferenza della luce per misurare piccole variazioni di lunghezza o indice di rifrazione. Sono impiegati nella metrologia di precisione e nella sensoristica.

Microchip fotovoltaici

Dispositivi fotovoltaici miniaturizzati per la conversione della luce solare in energia elettrica (cellule fotovoltaiche miniaturizzate).

Un risuonatore ad anello accoppiato a una guida d'onda rettilinea: profilo del campo spaziale in risonanza e fuori risonanza

Simulazione per la fotonica nanoscopica e microscopica

La simulazione di dispositivi nanoscopici e microscopici è fondamentale per comprendere il loro comportamento e per predirne le prestazioni in condizioni reali. Questa scala di dimensioni permette una maggiore integrazione di componenti su un singolo chip, aumentando la densità di componenti e incrementando le prestazioni complessive del circuito.

Lo strumento Ansys Lumerical consente agli ingegneri e ai ricercatori di esplorare una vasta gamma di configurazioni dei dispositivi oggetti di studio senza dover costruire fisicamente ogni prototipo. Utilizzando i numerosi moduli presenti nel software della Ansys quali FEEM, FDTD e INTERCONNECT per citarne alcuni, i progettisti possono disegnare, sviluppare e ottimizzare circuiti fotonici complessi di grande interesse per le tecnologie emergenti.

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