Progettazione di dispositivi ottici integrati basati su

Progettazione di dispositivi ottici integrati

basati su silicio mediante il metodo

degli elementi finiti

Paolo Pintus

XXIII Concorso Nazionale “Ing. Giuseppe Pedriali”

Forlì 29 Maggio 2013

© 2013 Scuola Superiore Sant’Anna

Motivazioni

• Perché l’ottica e la fotonica sono importanti?

• Perché la Silicon-photonics?

• Sistemi di comunicazione ottici

– Un po’ di fisica delle onde

– Un sistema di comunicazione

– Sistemi WDM e musica

• Risuonatori ad anello e circuiti ottici integrati


Cosa succede in internet in un minuto?

Source: http://www.intel.com/content/www/us/en/communications/internet-minute-infographic.html


Vogliamo tutti comunicare

Elezione papa Benedetto XVI

Elezione papa Francesco

La tecnologia cambia

il nostro modo di

comunicare

Source “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile

Data Traffic Forecast Update, 2012–2017”, www.cisco.com

• La trasmissione dati di

dispositivi mobili è cresciuta

del 70% nel 2012.

• Nel 2013, il numero di

dispositivi mobili connessi

ad internet supererà la

popolazione mondiale.

• L’uso degli smartphone è

cresciuto dell’81% lo scorso

anno.


Richiesta di banda

Il crescente numero di dispositivi connessi implica un

costante aumento di dati trasmessi

La banda di trasmissione è indice di quanti dati possiamo

trasmettere. Nei prossimi anni vorremo trasmettere sempre

più dati (immagini, video, musica, etc…)

Source: http://www.cisco.com/


Consumo di potenza

L’aumento del traffico internet comporta un aumento dei consumi

per il funzionamento dei server e della rete.

E’ necessario ricercare soluzioni energeticamente efficienti!

Traffico Internet e consumo di potenza dei routers in Giappone

Network Photonics Research Center (Japan)

http://unit.aist.go.jp/nprc/ci/index.html


Perché l’ottica e la fotonica sono importanti?

Le trasmissioni in fibra ottica garantiscono

– elevata velocità di trasmissione dati (la banda larga)

– minori problemi di interferenza elettromagnetica

– basse perdite di propagazione su lunghe distanze

– alta efficienza energetica (“green internet”, passive optical network)

L’ottica e la fotonica studiano la propagazione della luce ed i suoi componenti fondamentali: i fotoni.

La luce può essere utilizzata per trasportare informazioni, che possono viaggiare per lunghe distanze come avviene nelle fibre ottiche.


Problemi dei data center

• Densità di interconnessioni

• Densità di potenza termica da dissipare


Source: A.F. Benner, "Cost-Effective Optics: Enabling the Exascale Roadmap,“17th IEEE Symposium

on High Performance Interconnects, 2009. HOTI 2009, pp.133-137, 25-27 Agosto 2009

Utilizzo dell’ottica integrata

Collegamenti sulle cortissime distanze tipiche dei data center:

– minore dissipazione di calore

– ridotte dimensioni

– bassi costi grazie all’integrazione

– integrazione elettronica/fotonica

2008

Source: Optoelectronic Group,

Univ. of California Santa Barbara.


Difficoltà dell’integrazione

Circuiti elettronici integrati Principali dispositivi

Transistor

Materiali più usati Silicio

Circuiti ottici integrati Pricipali dispositivi:

Guide d’onda e divisori di potenza

Amplificatori ottici

Modulatori e demodulatori

Filtri

Laser

ricevitori

AWG

…

Materiali più usati Niobato di Litio

Ossido di Silicio

Silicio

Polimeri

Arseniuro di Gallio

Fosfuro d’Indio

Erbio ed Itterbio

…

Silicon-Photonics:

Bassi costi, elevata integrazione, compatibile con la microelettronica.

Elettronica integrata vs ottica integrata


Sistemi di comunicazione ottici


Un semplice sistema di comunicazione

I dati che si vogliono

trasmettere vengono convertiti

in impulsi luminosi e trasmessi

lungo le fibre ottiche.


Sistemi WDM e musica

Nelle fibre ottiche i segnali viaggiano a diversa lunghezza d’onda

(multiplazione a divisione di lunghezza d’onda o WDM)

Differenti note Differenti lunghezze d’onda

Durata delle note Durata dei bit

Trasmettere un segnale WDM è

come suonare uno spartito

Tante note suonano insieme così

come tanti segnali viaggiano insieme


Risuonatore ad anello

micro-disk Ring resonator Ring-laser

I risuonatori ad anello possono

essere accordati come le corde di

una chitarra per “vibrare” (risuonare)

alla “nota” (lunghezza d’onda)

desiderata.

I risuonatori ad anello sono dei componenti integrati molto

importanti che possono essere utilizzati per realizzare filtri, laser,

modulatori e demodulatori, commutatori, etc…


Risuonatori ad anello e circuiti ottici integrati

S. Feng et al.: Silicon photonics: from

a microresonator perspective, Laser

Photonics Rev., 1–33 (2011)

I laser sono come

“le corde della

chitarra”

Stabiliscono la

durata delle note

“Le nostre orecchie” Gli anelli sono

“accordati”

per risuonare e

indirizzare la

luce


Progettazione di

risuonatori ad anello e

guide d’onda in silicio

Le aree di ricerca del mio lavoro sono principalmente due:

Analisi

elettromagnetica

dei dispositivi

Progettazione di dispositivi ottici

Un modello matematico accurato ed un codice di simulazione

veloce sono strumenti importanti per la progettazione dei

dispositivi ottici integrati.

Il Metodo degli Elementi Finiti permette di ottenere un’elevata

precisione.


Il metodo degli elementi finiti:

guide d’onda e risuonatori ad anello


Metodo degli elementi finiti

Ingegneria navale.

Alinghi: America's

Cup Winner 03, 09

Aerodinamica

Emodinamica

Modellazione dei tessuti


Metodo degli elementi finiti

ARROW waveguide

Ridge waveguide

Er-implanted micro-disk

laser made. CALTECH Slot waveguide

Ring resonator Silica micro-disk

Armani et al. Nature 03


Laser e amplificatori ottici integrati

I laser sono le sorgenti della luce.

Usando esclusivamente il silicio

non è possibile realizzare laser e

amplificatori ottici.

E’ necessario usare altri materiali

(es. Er, Ge, InP, etc..)

P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Low Threshold Pump Power and High Integration in

Al2O3:Er3+ Slot Waveguide Laser on SOI”, IEEE Phot. Tech. Lett., vol. 22, pp. 1428-1430, 2010.

Geometria Elementi Finiti Campo elettromagnetico

L’uso degli elementi finiti è importante per progettare questi dispositivi


Risuonatori ad anello

I risuonatori ad anello possono

essere usati per realizzare dei

filtri.

Gli anelli risuonano ad una

sola “nota” e la filtrano dal

resto della musica.

Accordando l’anello possiamo

sintonizzarci su una lunghezza

d’onda ed ascoltare il messaggio

che essa trasporta così come

scegliamo di ascoltare un canale

alla radio


Isolatori ottici

M.-C. Tien, T. Mizumoto, P. Pintus, H. Kroemer, and J. E. Bowers, “Silicon ring isolators with bonded nonreciprocal magneto-optic garnets”, Optics Express, vol. 19, no. 12, pp 11740-11745, 2011

Gli isolatori ottici permettono

alla luce di passare solo in

una direzione.

Si comportano come i vetri

riflettenti o “vetri spia”: da

dentro possiamo vedere fuori

ma non viceversa.

Gli isolatori ottici sono molto importanti

in ottica integrata per evitare le retro-

riflessioni.


Bidirectional Optical Amplifier (BOA)

Brevetto Italiano RA2013A000001, “Dispositivo Ottico”, Inventori: P. Pintus, F. Di Pasquale,

J.E. Bowers. Filing date: 8 Gennaio 2013.

P. Pintus, N. Andriolli, F. Di Pasquale, J.E. Bowers, “Integrated Cross-talk Free Active Optical Link for

Bidirectional Interleaved Communications”, Optical Interconnects, 5 - 8 May 2013, Santa Fe, USA.

Attività in collaborazione con Prof. John Bowers, University of California Santa Barbara, USA.


FIRB: MINOS

MIcro- and NanO-structured photonic devices based on strained

silicon for ultrafast Switching in datacom applications


FP7 – STREP Proposal: IRIS

Integrated Reconfigurable silicon photonic based optical Switch

Tunable Transponders

(tunable wavelength)

European Patent Application - P36731, “Optical Routing apparatus and method”.

Inventori: F. Testa, P. Pintus, F. Di Pasquale, A. D'Errico. Filing date: 8 Giugno 2012.


FP7 – STREP Proposal: IRIS

Dispositivo ottico interamente realizzato in silicio

Integrazione, energeticamente efficiente, bassi costi, basato

sul tuning termico tuned micro-ring.

8 Partners, 5 Paesi

2 partners industriali, 6 Centri di ricerca

Integrated Reconfigurable silicon photonic based optical Switch


Lista delle pubblicazioni

Riviste scientifiche 1. S. Sher, P.Pintus, F. Di Pasquale, “Numerical study of novel high-index-contrast Er:LiNbO3 photonic wire lasers

optically pumped at 980nm,” Applied Optics, (accepted)

2. G. Kurczveil, P. Pintus, M.J.R. Heck, e J.D. Peters, and J.E. Bowers, “Characterization of Insertion Loss and Back Reflection in Passive Hybrid Silicon Tapers,” IEEE Photonics Journal, vol. 5, pp. 6600410, Aprile 2013.

3. P. Pintus, F. Di Pasquale, e J. E. Bowers, “Integrated TE and TM optical circulators on ultra-low-loss silicon nitride platform,” Optics Express, vol. 21, pp.5041-5052, Febbraio 2013.

4. P. Pintus, F. Di Pasquale, e J. E. Bowers, "Design of TE ring isolators for ultra low loss Si3N4 waveguides based on the finite element method", Optics Letters, vol. 36, pp. 4599-4601, Dicembre 2011.

5. P. Pintus, M.-C. Tien, e J. E. Bowers, “Design of magneto-optical ring isolator on SOI based on the finite element method”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, pp. 1670-1672, Novembre 2011.

6. P. Pintus e M. Petrou, “Relational space classification for malaria diagnosis”, Pattern Analalysis and Application, vol. 14, pp. 261-272, 2011.

7. M.-C. Tien, T. Mizumoto, P. Pintus, H. Kromer, e J. E. Bowers, “Silicon ring isolators with bonded nonreciprocal magneto-optic garnets”, Optics Express, vol. 19, pp 11740-11745, Giugno 2011.

8. P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Integrated 2.8 µm Laser Source in Al2O3:Er3+ Slot Waveguide on SOI”, IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 29, pp. 1206-1212, Aprile 2011.

9. S. M. Sher, P. Pintus, F. Di Pasquale, M. Bianconi, G. B. Montanari, P. De Nicola, S. Sugliani e G. Prati, “Design of 980nm-Pumped Waveguide Laser for Continuous Wave Operation in Ion Implanted Er:LiNbO3”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 47 , pp. 526-533, Aprile 2011.

10. P. Pintus, S. Faralli, e F. Di Pasquale, “Low Threshold Pump Power and High Integration in Al2O3:Er3+ Slot Waveguide Laser on SOI”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, pp. 1428-1430, 1 Ottobre 2010.

11. C. van der Mee, P. Contu, e P. Pintus, “One-dimensional Photonic Crystal Design”, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, vol. 111, pp. 214-225, 2010.

12. C. van der Mee, P. Pintus, S.Seatzu, “Mathematical Principles in Photonic Crystals”, Rivista Matematica dell’Università di Parma, (7) 8 (2008), pp 99-137.


Lista delle pubblicazioni

Brevetti 1. Brevetto Italiano RA2013A000001, “Dispositivo Ottico”, Inventori: P. Pintus, F. Di Pasquale, J.E. Bowers. Filing

date: 8 Gennaio 2013.

2. European Patent Application - P36731, “Optical Routing apparatus and method”. Inventori: F. Testa, P. Pintus, F.

Di Pasquale, A. D'Errico. Filing date: 8 Giugno 2012.

Conferenze 1. P. Contu, P. Pintus, F. Testa, A. D’Errico, F. Di Pasquale, “Analysis and Design of Micro-ring Based Switch

Elements in Silicon Photonics for Optical Interconnection”, IEEE Optical Interconnects Conf., Santa Fe, New

Mexico, USA, 5-8 Maggio 2013.

2. P. Pintus, N. Andriolli, F. Di Pasquale, and J.E. Bowers, “Integrated Bidirectional Optical Amplifier for Crosstalk-

Free WDM Communication”, IEEE Optical Interconnects Conf., Santa Fe, New Mexico, USA, 5-8 Magg. 2013.

3. P. Pintus, P. Contu, N. Andriolli, I. Cerutti and P. Raponi, “Modeling a Multi Microring (MMR) Network-on-Chip”,

IEEE Optical Interconnects Conference, Santa Fe, New Mexico, USA, 5-8 Maggio 2013.

4. P. Pintus, “Design of silicon based integrated optical devices using the finite element method”, Workshop SIMAI

Giovani 2013, Società Italiana di Matematica Applicata e Industriale, Roma, Italia, 11 Marzo 2013 (invited).

5. P. Pintus, “Full vectorial finite element method for integrated optical device design”, XI Convegno biennale SIMAI

2012, Società Italiana di Matematica Applicata e Industriale, Torino, Italia, 25-28 Giugno 2012 (invited).

6. P. Pintus and F. Di Pasquale, “Modelling of ring resonators with magneto-optic materials using the finite element

method,” Scientific Computing 2011 (SC2011), S. Margherita di Pula, Cagliari, Italia, 10-14 Ottobre, 2011.

7. P. Pintus, M. J. R. Heck, G. Kurczveil, e John E. Bowers, “Low-loss Hybrid Silicon Tapers”, IEEE International

Conf. on Group IV Photonics, The 8th International Conf. on Group IV Photonics, London, UK, 14-16 Sett. 2011

8. R. Agarwal, R. Gangopadhyay, G. Prati, S. Gupta e P.Pintus, “Optimally Apodized Ring-resonator Filter for DPSK

Demodulation”, The 4th International Conference on Computers and Devices for Communication (CODEC-09),

Institute of Radio Physics and Electronics, University of Calcutta, Calcutta, India, 14 - 16 Dicembre 2009.

9. P. Pintus, S. Faralli, V. Toccafondo, F. Di Pasquale, A. D’Errico, F. Testa, “Design of Optically Pumped Er3+

Doped Silicon-On-Insulator Slot Waveguide Lasers”, The 22nd Annual Meeting IEEE Photonics Society (LEOS

2009), Belek-Antalya, Turchia, 4-8 Ottobre 2009.


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Grazie per l’attenzione!

Documents

Progettazione di dispositivi ottici integrati basati su