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1 scienza in primo piano La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Una piattaforma per ampliare il successo della fotonica in silicio Aleksei Anopchenko 1, Francisco Javier Aparicio Rebollo 1, Paolo Bettotti 1, Federica Bianco 1, Pierluigi Bellutti 2, Massimo Cazzanelli 1, Kamil Fedus 1, Elena Froner 1, Davide Gandolfi 1, Mher Ghulinyan 2, Neeraj Kumar 1, Yoann Jestin 2, Philip Ingenhoven 1, Silvia Larcheri 1, Lorenzo Lunelli 2, Mattia Mancinelli 1, Alessandro Marconi 1, Enrico Moser 1, Laura Pasquardini 2, Cecilia Pederzolli 2, Cristina Potrich 2, Nikola Prtljaga 1, Georg Pucker, Fernando Ramiro Manzano 1, Eveline Rigo 1, Marina Scarpa 1, Fabrizio Sgrignuoli 1, Andrea Tengattini 1, Lorenzo Pavesi 1 * 1 Laboratorio Nanoscienze, Dipartimento di Fisica, Università di Trento, Povo - Trento, Italia 2 Centro Materiali e Microsistemi, Fondazione Bruno Kessler, Povo - Trento, Italia La fotonica integrata in silicio ha permesso di realizzare reti ottiche integrate in pochi mm 2 con velocità di trasmissione dati di più di 1Tbps. Per poterne ampliare ulteriormente lo spettro di funzionalità ed applicazioni, a Trento applichiamo il paradigma delle nanotecnologie. Grazie alle nuove proprietà risultanti dal confinamento spaziale di portatori di carica (Nanosilicio) e di fotoni (Nanofotonica), abbiamo dimostrato una serie di funzionalità aggiuntive alla fotonica in silicio. Queste hanno permesso di realizzare amplificatori ottici, risonatori ottici, diodi elettroluminescenti, celle solari a resa elevata, biosensori biocompatibili e biodegradabili, interruttori tutti ottici superveloci, nodi di reti ultradensi, instradatori interferometrici, ed altro ancora. 1 Introduzione alla fotonica in silicio Nel 1965 Gordon Moore annunciò la sua famosa legge per la quale il numero di transistor per circuito integrato raddoppia ogni diciotto mesi. Questa legge ha governato lo sviluppo della microelettronica che ha seguito il motto: più piccolo, più economico, più veloce, grazie all integrazione sempre più spinta. Oggi infatti abbiamo processori che contengono miliardi di transistor, ognuno dei quali ha dimensioni di qualche decina di nanometri. è interessante notare che nel 1969 S. T. Miller dei laboratori Bell già realizzava che un simile sviluppo dovesse avvenire anche per la fotonica. Turttavia, nel corso degli anni il numero di componenti fotonici per circuito ottico integrato non è cresciuto come per la microelettronica. Oggi integriamo nei circuiti fotonici qualche centinaio di dispositivi diversi con l aggravio di alti costi di produzione. Qual è la ragione di questo? La tab. I mostra un confronto tra la microelettronica e la fotonica. Mentre per la microelettronica la caratteristica chiave è la standardizzazione (un solo dispositivo riprodotto milioni di volte in un solo materiale con un solo processo di produzione), per la fotonica si ha una diversità di materiali, di dispositivi elementari e di * pavesi@science.unitn.it, url: science.unitn.it/~semicon vol28 / no1-2 / anno2012 > 5

2 Microelettronica Fotonica Fotonica in silicio scienza in primo piano Elemento costitutivo elementare Transistor Laser, fibre ottiche, fotodiodo, Laser, guide d onda, fotodiodo, Materiale base Silicio Semiconduttori, vetri, polimeri Silicio Tecnologia di produzione CMOS Epitassia, filatura, deposizione, CMOS Tab. I Confronto tra le varie tecnologie elettroniche: la microelettronica, la fotonica e la fotonica in silicio. Fig. 1 Esempi di strutture a confinamento elettronico o fotonico. Sinistra: sospensione colloidale di nanocristalli di silicio: illuminati da luce blu i nanocristalli emettono luce rossa [1]. Destra: microdisco di ossido di silicio ricco in silicio sospeso su di un piedistallo di silicio. Il microdisco si comporta come un risonatore ottico dove modi ottici di galleria sono confinati sulla periferia del disco [4]. processi di fabbricazione. Questa è la ragione principale per cui la microelettronica si è sviluppata con integrazione molto spinta mentre per la fotonica hanno prevalso dispositivi isolati. Con la fotonica in silicio si vuole applicare il paradigma della microelettronica alla fotonica, ovvero fabbricare i vari dispositivi in un solo materiale il silicio utilizzando lo stesso processo di produzione della microlettronica il processo CMOS. In questo modo si vuole aumentare la scala di integrazione dei dispositivi fotonici per incrementare le prestazioni del circuito fotonico integrato e raggiungere, al tempo stesso, l obiettivo di fabbricarli su larga scala a basso prezzo di produzione unitario. Lo sviluppo della fotonica in silicio è sospinto anche da altre forti motivazioni: da una parte, Internet e la richiesta di portare la banda larga il più vicino possibile all utente finale; dall altra, la necessità di ridurre sempre più la dissipazione termica indotta dalla trasmissione di segnali su cavi elettrici a sempre più alta frequenza e a distanze sempre più elevate. Già oggi nei supercomputer c è la necessità di gestire sia lo scambio di dati tra le centinaia di migliaia di nuclei che compongono i multiprocessori (velocità aggregate dell ordine di 1Tbps 1 ) sia lo scambio di informazioni tra quest ultimi e gli altri componenti (memorie, periferiche, etc. con velocità di I/O oltre i 40 Gbps). Queste velocità richiedono l uso di dispositivi fotonici per le interconnessioni all interno dei circuiti elettronici integrati (chip), tra chip e chip su di una stessa scheda, tra schede diverse e dai computer/server verso l esterno. I grossi volumi che saranno richiesti dalla produzione di queste interconnessioni ottiche hanno suscitato l interesse delle grandi aziende manufattiere di semiconduttori che hanno investito in programmi di ricerca nel campo della fotonica in silicio. Dopo un decennio nel quale si sono sviluppati tutti i componenti base (guide d onde, modulatori, laser ibridi, rivelatori, etc.), la fotonica in silicio si sta trasformando sempre più in una tecnologia ad integrazione molto spinta con prodotti oramai commerciali (si pensi al cavo ottico Blazer prodotto dalla Luxtera, Inc). Chiaramente il prossimo passo sarà l integrazione di componenti 1 Tbps = terabit per secondo, Gbps = gigabit per secondo. 6 < il nuovo saggiatore

3 L. Pavesi et al.: La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Fig. 2 In alto: schema del processo di produzione di silicio nanocristallino in matrice dielettrica. Mediante un processo di deposizione, si forma dell ossido di silicio sottostechiometrico. Il silicio in eccesso viene fatto clusterizzare mediante processi termici che causano la separazione tra le due fasi stabili del silicio e dell ossido di silicio. In basso: passi del processo per la produzione di sospensioni colloidali di silicio nanocristallino. Una fetta di silicio (a) viene parzialmente dissolta in una cella elettrochimica (b) producendo del silicio poroso (c). Il silicio poroso viene rimosso dalla fetta di silicio mediante sonicazione (d) liberando nanocristalli di silicio in sospensione nel solvente utilizzato (e) [1]. microelettronici e componenti fotonici sullo stesso circuito integrato realizzando quindi la convergenza delle comunicazioni ottiche e della computazione elettronica in uno stesso dispositivo a larga scala di integrazione fotonica/ elettronica. 2 Nanosilicio Rispetto a questa tecnologia in rapido sviluppo, noi cerchiamo di abilitare nuove funzionalità nel silicio attraverso l applicazione delle nanotecnologie. Le tipiche dimensioni dei nostri sistemi dipendono dalla lunghezza d onda delle particelle coinvolte: la lunghezza d onda di De Broglie per gli elettroni (ovvero dell ordine dei nanometri per il silicio) e la lunghezza d onda della luce per i fotoni (ovvero dell ordine dei micrometri per radiazione infrarossa). Quando si riescono a costruire materiali o dispositivi con queste dimensioni nanometriche si cominciamo a vedere nuovi ed interessanti fenomeni che possono abilitare nuovi dispositivi. A Trento abbiamo sviluppato la tecnologia per utilizzare questi effetti. Nella fig. 1, possiamo vedere alcuni esempi di nostri nanosistemi per elettroni e per fotoni. Ridurre il silicio a dimensioni nanometriche significa realizzare dei nanocristalli di silicio nei quali i portatori di carica subiscono effetti di confinamento quantistico. In fig. 1 si vede un esempio di una sospensione colloidale di nanocristalli di silicio illuminata con luce blu: al contrario del silicio cristallino, questa sospensione emette luminescenza nel rosso in modo efficiente e a temperatura ambiente. Queste sono due dirette conseguenze del confinamento quantistico degli elettroni in punti quantici di silicio: da una parte si ha una dipendenza dell energia della banda proibita dalle dimensioni della nanostruttura, come avviene per una particella in una buca di potenziale; dall altra si ha un aumento della probabilità di transizione radiativa in seguito all allargamento nello spazio dei momenti delle funzioni d onda degli elettroni e delle lacune che aumenta la sovrapposizione tra le stesse. Il processo di produzione dei nanocristalli di silicio si differenzia a secondo delle loro applicazioni. La fig. 2, in alto, mostra il tipico processo usato per applicazioni vol28 / no1-2 / anno2012 > 7

4 Proprietà dei nanocristalli di silicio Materiale abbondante e non tossico Fabbricazione compatibile con la tecnologia CMOS Banda proibita variabile a seconda delle dimensioni, ma più larga del silicio scienza in primo piano Emissione efficiente di luce Guadagno ottico Effetti ottici non lineari al terz ordine Effetti fotovoltaici Biocompatibilità Superficie funzionalizzabile usando la chimica del silicio Tab. II Proprietà principali dei nanocristalli di silicio per applicazioni in fotonica. Fig. 3 Elementi fondamentali per realizzare un laser al nanosilicio: guadagno ottico e microrisonatori ottici. Sinistra: spettro di trasmissione di un film di nanocristalli di silicio (spesso 250 nm) depositati su di una fetta di quarzo. A seconda della densità di potenza di un potente fascio laser nel blu (355 nm) la trasmissione aumenta e diventa più grande di 1 [3]. Destra: spettro di emissione di nanocristalli di silicio in micro dischi di diametro 10 µm [4]. I vari picchi molto stretti sono dovuti all accoppiamento dell emissione dei nanocristalli con i modi di galleria che si propagano nel microdisco. A lato sono riportati i profili dei modi ottici di alcuni modi di galleria ottenuti da simulazioni. in ottica integrata. Dopo aver depositato un film di ossido di silicio non stechiometrico, ovvero con silicio in eccesso rispetto alla stechiometria dell ossido di silicio, si scalda il film ad alta temperatura (circa 1000 C). Durante questo trattamento, si ha una parziale separazione di fase tra il silicio e l ossido di silicio che porta alla formazione di piccoli cluster di silicio. A seconda della temperatura, della durata del trattamento e del contenuto di silicio in eccesso si possono formare nanocristalli di dimensioni controllate. Un altra tecnica, utile quando si vogliono produrre nanocristalli in sospensione per applicazioni biologiche, viene schematizzata in fig. 2, in basso. Essa prevede la dissoluzione parziale di una fetta di silicio in una cella elettrolitica producendo in tal modo del silicio poroso. Quindi il silicio poroso viene rimosso dal substrato mediante un trattamento di sonicazione (in un bagno di ultrasuoni). Così si ottiene una sospensione colloidale di nanocristalli di silicio in soluzione. Attraverso trattamenti chimici superficiali, si possono avere sospensioni in acqua o in altri liquidi con nanocristalli dalla superficie funzionalizzata a piacere. La tab. II mostra le varie proprietà dei nanocristalli di silicio che possono essere usate per la realizzazione di dispositivi innovativi. Oramai dieci anni fa, abbiamo dimostrato che nanocristalli di silicio sono in grado di amplificare luce (fig. 3, sinistra). Abbiamo realizzato un semplice esperimento nel quale un fascio debole di luce passa attraverso un film di nanocristalli depositati su di una fetta di quarzo trasparente. Lo spettro di trasmissione mostra delle oscillazioni dovute alle frange di interferenza della luce, ma rimane sotto il valore di uno. Quando però si illuminano i nanocristalli di silicio con un laser di pompa nel blu, quindi nella regione dove essi assorbono, si creano coppie elettrone-lacuna. Si genera così un inversione di popolazione che permette l amplificazione del fascio di prova. Più è intenso il fascio di pompa, maggiore è l inversione di popolazione e maggiore è l amplificazione. Alla massima intensità si riesce ad amplificare il fascio di prova ed ad aumentare la trasmissione a valori sopra l unità. Ovvero abbiamo più luce in uscita di quanta ne abbiamo messa in ingresso. 8 < il nuovo saggiatore

5 L. Pavesi et al.: La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Optical power density (µw/cm 2 ) (2 nm SiO 2 /3 nm SRO) Graded energy gap (2 nm SiO 2 /4 nm SRO) Power efficiency (%) Current density (ma /cm 2 ) Current density (ma /cm 2 ) Fig. 4 Diodo elettroluminescente realizzato in tecnologia CMOS. Lo strato attivo è costituito da nanocristalli di silicio. In alto a sinistra: schema del dispositivo con evidenziata la composizione dello strato attivo. Esso è formato da una sequenza controllata di piani di nanocristalli separati da uno strato di ossido di silicio. In un caso abbiamo usato nanocristalli di dimensione uguale, nell altro nanocristalli di dimensione crescente dal centro agli elettrodi. In alto a destra: foto di una fetta di silicio sulla quale sono stati realizzati i diodi elettroluminescenti. La punta serve ad iniettare la corrente nel diodo, mentre la fibra ottica a raccogliere la luce emessa. In basso: caratteristica densità di potenza ottica emessa dal diodo in funzione della densità di corrente. Le tre curve fanno riferimento a tre dispositivi diversi. Nell inserto è riportata l efficienza di potenza del diodo (rapporto tra la potenza ottica emessa verso la potenza elettrica usata) in funzione della densità di corrente per tre diodi differenti [5]. Avere un materiale attivo che amplifica la luce è il primo elemento per costruire un laser compatibile con la microelettronica, ma da solo non è sufficiente. Altri due elementi sono necessari: una cavità ottica in grado di retroazionare l emissione stimolata e, quindi, di portare il sistema in auto-oscillazione, e un sistema efficiente di pompaggio elettrico. Il primo aspetto si può risolvere realizzando risonatori a disco, dove la riflessione totale interna alla periferia del risonatore, genera risonanze ottiche. Queste si hanno quando il cammino ottico lungo la circonferenza del disco è pari ad un multiplo intero della lunghezza d onda della luce nel dielettrico di cui è costituito il disco. Si formano modi di galleria che propagano nel piano del disco e che sono caratterizzati da risonanze molto strette nello spettro di luminescenza dei nanocristalli di silicio inseriti nel disco (fig. 3). Inoltre, la variazione della densità dei modi ottici nel microdisco, grazie alla regola aurea di Fermi, influenza la probabilità di ricombinazione spontanea dei nanocristalli di silicio (effetto Purcell). Abbiamo misurato una diminuzione del 70% della velocità di decadimento dell emissione spontanea di nanocristalli accoppiati con modi di galleria! Il terzo ingrediente per la costruzione di un laser è la realizzazione di un pompaggio elettrico efficace in grado di eccitare i nanocristalli. Il problema in questo caso è il passaggio di una corrente elettrica attraverso il dielettrico, ovvero un isolante, dove sono stati formati i nanocristalli. L unica possibilità è quella di sfruttare fenomeni di tunnel quantistico. Questi però devono avvenire direttamente attraverso i nanocristalli, cioè le tensioni di polarizzazione in gioco devono essere basse in modo tale da eccitare efficacemente i nanocristalli e, al contempo, non danneggiare il materiale attivo della struttura. In un film spesso di nanocristalli, la distribuzione di dimensioni dei nanocristalli e di distanze tra di essi impedisce di entrare in un regime di tunnel diretto. Abbiamo, quindi, realizzato dei diodi elettroluminescenti (LED) con uno strato attivo costituito da una sequenza di nanocristalli di silicio separati da strati controllati di ossido di silicio di spessore nanometrico (fig. 4). Inoltre, per migliorare ulteriormente l efficienza di questi dispositivi, abbiamo diminuito gradualmente le dimensioni vol28 / no1-2 / anno2012 > 9

6 scienza in primo piano Fig. 5 Modifica dello spettro solare dovuto a nanocristalli di silicio. In alto a sinistra: spettro di emissione (curva blu) e di assorbimento (curva rossa) di nanocristalli di silicio di dimensione tipica 3 nm. In alto a destra: principio di funzionamento. La radiazione solare di lunghezza d onda lunga (per esempio, verde o rossa) passa attraverso lo strato di nanocristalli senza subire variazioni. La radiazione solare di lunghezza d onda corta (per esempio blu) viene assorbita dallo strato di nanocristalli che emettono a loro volta radiazione rossa che può essere assorbita dal sottostante strato di silicio. In basso: simulazione della variazione dello spettro solare visto dalla cella di silicio in presenza (curva blu) e in assenza (curva verde) dello strato di nanocristalli. La curva rossa tiene puramente conto delle proprietà dielettriche dei nanocristalli e non delle loro proprietà emissive [6]. dei nanocristalli in modo da avere nanocristalli grandi vicino agli elettrodi di iniezione e nanocristalli piccoli nella regione di ricombinazione ottica. Così possiamo ottimizzare, da un lato, l iniezione elettrica grazie alla larga conducibilità elettrica dei nanocristalli grandi e, dall altro, l emissione ottica grazie all elevata probabilità di ricombinazione radiativa dei nanocristalli piccoli. L efficienza totale, ovvero il rapporto della potenza ottica emessa dal LED rispetto alla potenza elettrica utilizzata per farlo funzionare, è stata aumentata significativamente rispetto a strutture spesse o a strati periodici. Il massimo valore mostrato in fig. 4 è di circa 2 fotoni emessi per ogni mille elettroni iniettati. Pur essendo il valore migliore trovato in LED al silicio, esso è però ancora troppo basso. Ci aspetta lavoro ulteriore per ottimizzare i diodi prima di riuscire ad invertire completamente i nanocristalli e realizzare un laser al silicio. Un altro campo di applicazione dei nanocristalli è nell aumento della resa di celle fotovoltaiche al silicio. In questo caso si utilizza la loro proprietà di assorbire nel blu e di emettere nel rosso (fig. 5). Infatti, un grosso problema delle attuali celle solari è che la conversione della luce solare nel blu avviene in modo poco efficiente: le coppie elettrone lacuna fotogenerate tendono a ricombinarsi velocemente non contribuendo alla fotocorrente. Una possibile soluzione è quella di usare uno strato di nanocristalli di silicio sopra una cella fotovoltaica per convertire la luce solare dal blu al rosso. Simulazioni al calcolatore dimostrano che si può ottenere un miglioramento di circa l 1% nell efficienza di conversione in celle al silicio cristallino (fig. 5, basso). Questo miglioramento si ottiene ottimizzando contemporaneamente le proprietà ottiche (curva rossa in figura) e l emissione dei nanocristalli. Così si modifica lo spettro solare incidente sulla cella fotovoltaica (curva blu in figura). Abbiamo perciò realizzato una cella solare con uno strato di nanocristalli di silicio di spessore 500 nm e verificato un aumento relativo del 14% dell efficienza quantica interna, nella regione del blu. I nanocristalli possono anche essere utilizzati in microscopia ottica come cromofori per marcare corpi specifici all interno di cellule. Siccome i nanocristalli in silicio si possono realizzare in sospensioni colloidali in soluzione acquosa, abbiamo verificato la loro applicabilità come cromofori nella visualizzazione di materiale biologico. Rispetto alle sonde di 10 < il nuovo saggiatore

7 L. Pavesi et al.: La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Fig. 6 Nanocristalli come cromofori per microscopia biologica. In alto: spettro di emissione a giorni diversi di una sospensione colloidale di nanocristalli di silicio in acqua [1]. In basso a sinistra: immagine al microscopio a fluorescenza di cellule SKOV-3 incubate per 30 minuti con una soluzione acquosa di nanocristalli di silicio idrosililati con acido undecileico. In basso a destra: immagine al microscopio a fluorescenza di cellule SKOV-3 incubate per 30 minuti con una soluzione acquosa di nanocristalli di silicio idrosililati con acido undecilenico e ricoperti con acido desossicolico[7]. L immagine a sinistra ha un lato di 500 µm, mentre quella a destra di 100 µm. fluorescenza organiche, i nanocristalli di silicio hanno migliori proprietà: non mostrano fenomeni di degrado dell emissione sotto irraggiamento, hanno tempi di decadimento della luminescenza dell ordine dei microsecondi, hanno larghe bande di assorbimento, hanno una superficie che può essere modificata chimicamente senza degradarne le proprietà ottiche e sono biodegradabili (fig. 6). Quest ultimo aspetto avviene grazie ad una progressiva decomposizione del nanocristallo di silicio in seguito all ossidazione, che trasforma il nanocristallo di silicio in acido ortosilicico facilmente escreto dal corpo umano. Manifestazione di ciò è la progressiva diminuzione con il tempo (giorni) dell intensità di emissione e lo spostamento verso le lunghezze d onda più corte dello spettro di emissione (fig. 6, alto). La captazione da parte delle cellule avviene probabilmente attraverso un processo di endocitosi cellulare. Abbiamo potuto dimostrare che l ingresso è facilitato da un tensioattivo di origine naturale, l acido desossicolico, che riveste la superficie dei nanocristalli stabilizzandone anche l emissione di luminescenza. In questo caso i nanocristalli entrano nelle cellule senza danneggiarle (fig. 6). 3 Nanofotonica Nuove funzionalità si ottengono anche quando si confinano fotoni in risonatori ottici. Un primo esempio che discuteremo è la dimostrazione di interruttori tutti ottici superveloci. Questi dispositivi sono basati su effetti ottici non lineari per i quali l indice di rifrazione n di un materiale dipende non linearmente dal campo elettrico e, quindi, n = n 0 + n 2 I, dove n 0 è l indice di rifrazione lineare mentre n 2 è il termine non lineare, I è l intensità della luce. Questo effetto è detto effetto Kerr ottico e dipende dalla non linearità al terz ordine del materiale. In passato, abbiamo dimostrato che i nanocristalli di silicio hanno una non linearità ordini di grandezza superiore a quella della silice (di cui sono fatte le fibre ottiche) e un ordine di grandezza superiore a quella del silicio. Se ora inseriamo il materiale non lineare in un interferometro, possiamo modificare la fase del segnale ottico propagante mediante un impulso di luce e, quindi, controllare la condizione di interferenza costruttiva o distruttiva nell interferometro. Ovvero possiamo, con una modulazione dell indice di rifrazione, indurre una modulazione di intensità; possiamo cioè fare un interruttore ottico. vol28 / no1-2 / anno2012 > 11

8 scienza in primo piano Fig. 7 Interruttore tutt ottico. Sinistra: immagine al microscopio a scansione della guida d onda e del risonatore ad anello. La guida d onda di silicio ha sezione nm 2 e contiene al suo interno uno strato spesso 50 nm di nanocristalli di silicio. Destra: spettro di trasmissione della guida in funzione della potenza del laser di pompa in condizioni statiche [8]. Fig. 8 Concetto e misura di trasmissione indotta dall accoppiamento di risonatori (CRIT). In alto a sinistra: schema di uno SCISSOR a singolo anello (a) e a N anelli (b). La freccia nera indica la porta attraverso (Through) e la freccia rossa la porta estrazione (Drop) [9]. In alto a destra: spettro di trasmissione della porta Through per lo SCISSOR a singolo anello e per uno a 7 anelli dove una coppia di anelli è stata avvicinata in modo da accoppiare otticamente i due anelli. La freccia nera mostra la lunghezza d onda per la quale il segnale viene estratto mentre quella rossa la lunghezza d onda per la quale il segnale è trasmesso [9]. In basso: misura sperimentale di uno SCISSOR a 8 anelli con raggio di 6.75 µm dove risonatori ad anello adiacenti sono accoppiati. La curva superiore rappresenta lo spettro della luce diffusa verso l alto dallo SCISSOR. Le due curve inferiori riportano il segnale trasmesso dalla porta Drop (linea sottile) e dalla porta Through (linea spessa). I picchi stretti sono evidenze sperimentali dell effetto CRIT [10]. 12 < il nuovo saggiatore

9 L. Pavesi et al.: La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Nel nostro caso (fig. 7), l interruttore ottico si basa su un sistema accoppiato tra una guida d onda che instrada un segnale ottico, chiamata bus ottico, ed un risonatore ad anello. La frequenza di risonanza del risonatore ad anello è determinata dalla condizione m λ ris = 2π R n eff, dove λ ris è la lunghezza d onda di risonanza, R il raggio dell anello, m l ordine della risonanza e n eff l indice efficace del modo ottico risonante nel risonatore ad anello. λ ris dipende quindi dall indice di rifrazione del materiale di cui è fatto il risonatore ad anello attraverso n eff. Quando misuriamo lo spettro di trasmissione della guida, vediamo in corrispondenza delle risonanze del risonatore ad anello, una diminuzione della trasmissione. A queste lunghezze d onda il segnale si accoppia nel risonatore ad anello. Ora, se assieme al segnale, accoppiamo in guida anche un fascio energetico di pompa di diversa lunghezza d onda, possiamo modificare n eff attraverso la non linearità ottica del materiale di cui è fatto il risonatore ad anello, e quindi modularne la trasmissione. In condizioni statiche, all aumento della potenza del fascio di pompa, le risonanze del risonatore ad anello si muovono verso le lunghe lunghezze d onda in seguito ad un aumento dell indice di rifrazione (fig. 7). Di conseguenza, se fissiamo la lunghezza d onda del segnale uguale a λ ris, possiamo variare la trasmissione del segnale da un valore basso ad uno alto controllando la potenza del fascio di pompa. Possiamo cioè accendere o spegnere un segnale ottico attraverso il controllo di un altro segnale ottico, ovvero abbiamo realizzato un interruttore tutto ottico. Aspetto interessante del dispositivo è la velocità di commutazione. Nell esperimento realizzato, questa è di pochi ps, limitata dalla durata degli impulsi laser usati come fascio di pompa. In questo modo abbiamo realizzato un interruttore compatto (diametro dell anello di 20 µm), veloce (frequenza di commutazione > 50 GHz), e a basso consumo (per commutare un bit abbiamo bisogno di ~1 pw) che, infine, è anche compatibile con la tecnologia in silicio. Un altro esempio di applicazione della nanofotonica riguarda la possibilità di realizzare catene di risonatori ad anello accoppiati tra di loro da guide d onda laterali strutture dette SCISSOR (side-coupled integrated spaced sequence of optical resonators), fig. 8 per realizzare instradatori ottici a canali ultradensi. Utilizzando SCISSOR si hanno a disposizione due tipi di risonanze: quelle dovute ai singoli risonatori (λ ris ) e quelle dovute alla sequenza di risonatori (λ Bragg ). Quest ultime sono dovute alla periodicità dei risonatori che, se spaziati di una distanza tale per cui si ha interferenza costruttiva della poca luce che si accoppia nella guida laterale, generano un alta riflessione alla Bragg, infatti m Bragg λ Bragg = 2 pn eff d, dove d è la distanza tra risonatori adiacenti. Ora se un segnale ottico di lunghezza d onda λ λ ris λ Bragg viene instradato nello SCISSOR attraverso la guida di ingresso, esso passa attraverso lo SCISSOR senza attenuazione (la porta d uscita viene chiamata porta attraverso o Through). Invece se λ = λ ris o λ = λ Bragg il segnale ottico viene instradato sull altra guida ed estratto dal canale, per questa ragione l altra guida viene chiamata porta di estrazione o Drop. Per queste lunghezze d onda non abbiamo segnale ottico che arriva nella porta Through. In questo modo, a seconda della lunghezza d onda, possiamo istradare un segnale ottico o nella porta Through o nella porta Drop (fig. 8). Una situazione particolarmente interessante si ha quando la lunghezza d onda del segnale in ingresso soddisfa entrambe le condizioni di risonanza e, quindi, λ ~ λ ris ~ λ Bragg. In questo caso, il segnale viene accoppiato nella guida Drop dato che soddisfa la condizione di risonanza dell anello, ma, propagandosi nella guida Drop, viene riaccoppiato nella guida Through dato che soddisfa una condizione di risonanza alla Bragg. Il segnale si accoppia, perciò, con una cavità formata da due risonatori adiacenti. Si ha, quindi, una condizione dove il segnale invece di essere trasmesso dalla porta Drop viene re-instradato sulla porta Through. Si dice che in questo caso si ha una condizione di trasparenza indotta dall accoppiamento risonante dei risonatori effetto detto CRIT (coupled resonator induced transparency). Aspetto interessante del CRIT è che la condizione di trasparenza è determinata dalla condizione che la distanza tra due risonatori soddisfi una condizione di interferenza costruttiva del segnale. Grazie a ciò, le tipiche risonanze CRIT che si osservano sono molto più strette di quelle dovute ai singoli risonatori (fig. 8, in alto a destra). Ora grazie al controllo delle dimensioni dei risonatori e delle loro distanze, è possibile ingegnerizzare l effetto CRIT per ottenere instradatori di segnali ottici con larghezze di banda estremamente piccole (<100 GHz). L idea che abbiamo sperimentato è stata di realizzare uno SCISSOR con risonatori ad anello con raggi che gradualmente aumentano lungo lo SCISSOR, in modo da ottenere varie lunghezze d onda di risonanza. Separando una coppia di risonatori di una distanza che realizza la condizione di interferenza costruttiva formiamo una risonanza CRIT. Abbiamo cioè il controllo sulla posizione della risonanza CRIT attraverso la scelta della coppia di risonatori. Avendo risonatori di raggio diverso possiamo formare molte risonanze CRIT in uno stesso SCISSOR. In questo modo realizziamo strutture che permettono multiplessaggio 1 o demultiplessaggio ottico per applicazioni in reti ottiche ultradense in strutture estremamente compatte. Inoltre grazie alla possibilità di variare l indice di rifrazione del materiale costituente i risonatori ad anello o le guide di 1 Per multiplessaggio ottico si intende l istradamento in un singolo canale ottico di piu segnali ottici differenti provenienti da canali ottici diversi. Demultiplessaggio e l operazione inversa. vol28 / no1-2 / anno2012 > 13

10 scienza in primo piano Fig. 9 Instradatori interferometrici. In alto: schema del dispositivo: sono indicate le varie porte di entrata (In 1 e In 2 ) e le due direzioni di uscita (porte Through, Th 1 e Th 2, e porta Drop, D). Il cuore dell instradatore è realizzato da due SCISSOR accoppiati realizzati con risonatori a stadio. In basso: spettro di trasmissione della porta estrazione (Drop) e delle due porte attraverso (Through) in funzione dello sfasamento relativo dei due segnali di ingresso ( φ) [11]. accoppiamento possiamo riconfigurare la rete ottica con velocità di riconfigurazione fino alle decine di GHz. Un altra applicazione degli SCISSOR è nel campo dell instradamento inteferometrico. In questi instradatori il protocollo di instradamento non è solo realizzato attraverso la lunghezza d onda del segnale, ma anche dalla fase del segnale stesso. Per ottenere un tipo robusto di instradatore interferometrico che agisca su bande di lunghezze d onda, abbiamo realizzato un instradatore a partire da due SCISSOR accoppiati (fig. 9). Il principio di funzionamento è semplice. Il segnale all ingresso del dispositivo viene diviso in due parti lungo due guide d onda diverse (ingressi In 1 e In 2 in figura). La fase relativa φ dei due segnali viene controllata per determinare la direzione di uscita. Quando la lunghezza d onda del segnale in ingresso soddisfa la condizione di risonanza di Bragg degli SCISSOR, si ha che entrambi gli SCISSOR trasferiscono il segnale sulla guida d onda centrale. Se i due segnali sono tra di loro in fase, allora si ha interferenza costruttiva e il segnale viene trasmesso sulla porta Drop. Se i due segnali sono tra di loro in opposizione di fase, si ha interferenza distruttiva e il segnale viene trasmesso sulle porte Through (fig. 9). Abbiamo controllato la direzione di uscita attraverso la lunghezza d onda e la fase, ovvero il dispositivo è un instradatore interferometrico. Interessante notare come il numero di risonatori che compongono gli SCISSOR serva a mediare su imprecisioni di fabbricazione e renda quindi gli SCISSOR accoppiati dei nodi robusti per realizzare instradatori o interruttori ottici per trattare bande di segnali di lunghezze d onda differenti. 4 Conclusioni In questo articolo abbiamo brevemente passato in rassegna le conseguenze dell applicare il paradigma delle nanotecnologie alla fotonica in silicio. In questo modo siamo stati capaci di dimostrare delle funzionalità aggiuntive ad una tecnologia oramai matura. Sia con silicio nanostrutturato che con circuiti fotonici di dimensioni nanometriche è possibile ingegnerizzare un materiale ben conosciuto come il silicio per indurre nuovi fenomeni che aprono la strada ad applicazioni innovative. 14 < il nuovo saggiatore

11 L. Pavesi et al.: La Nanofotonica in Silicio e la Fotonica con il Nanosilicio Ringraziamenti Questo articolo è basato sul lavoro degli ultimi anni sulla fotonica al silicio svolto dal laboratorio Nanoscienze e dal centro Materiali e Microsistemi. è stato reso possibile anche grazie allo sforzo dei nostri passati collaboratori e studenti che qua ringraziamo senza poterli citare tutti. Inoltre esso è sostenuto da finanziamenti della Provincia Autonoma di Trento (progetto NAOMI), delle fondazioni CARIPLO (progetti Studio della non linearità di guide ottiche in silicio periodicamente stressato per nuove sorgenti laser nel medio infrarosso ) e CARITRO (progetto Colorectal cancer associated macrophages as potential prognostic biomarker and therapeutic target ), e dalla commissione europea (progetti HELIOS, LIMA, POSITIVE, WADIMOS, APCOPPTOR ). Bibliografia [1] N. Prtljaga, E. D Amato, A. Pitanti, R. Guider, E. Froner, S. Larcheri, M. Scarpa e L. Pavesi Photoluminescence of hydrophilic silicon nanocrystals in aqueous solutions, Nanotechnology, 22 (2011) [2] A. Pitanti, M. Ghulinyan, D. Navarro-Urrios, G. Pucker e L. Pavesi Probing the spontaneous emission probability in Si-nc based micro disk resonators, Phys. Rev. Lett., 104 (2010) [3] L. Dal Negro, M. Cazzanelli, B. Danese, L. Pavesi, F. Iacona, G. Franzò e F. Priolo Light amplification in silicon nanocrystals by pump and probe transmission measurements, J. Appl. Phys., 96 (2004) [4] M. Ghulinyan, D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, A. Lui, G. Pucker e L. Pavesi Whispering-gallery modes and light emission from a Si-nanocrystal-based single microdisk resonator, Optics Express, 16 (2008) 13218; M. Xie, A. Pitanti, M. Ghulinyan, D. Yang, G. Pucker e L. Pavesi A continuous wave spectroscopy of nonlinear dynamics of Si nanocrystals in a microdisk resonator, Phys. Rev. B, 84 (2011) [5] A. Anopchenko, A. Marconi, M. Wang, G. Pucker, P. Bellutti e L. 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Fedeli, L. Pavesi, e J. Martí Ultrafast all-optical switching in a siliconnanocrystal based silicon slot waveguide at telecom wavelengths, Nano Lett., 10 (2010) [9] M. Mancinelli, R. Guider, P. Bettotti, M. Masi, M. Rao Vanacharla, L. Pavesi, Coupled-resonator-induced transparency concept for wavelength routing applications, Optics Express, 19 (2011) [10] M. Mancinelli, R. Guider, M. Masi, P. Bettotti, M. Rao Vanacharla, J. M. Fedeli e L. Pavesi Optical characterization of a SCISSOR device, Optics Express, 19 (2011) [11] M. Masi, M. Mancinelli, A. Battarelli, R. Guider, M. Rao Vanarcharla, P. Bettotti, J. M. Fedeli, L. Pavesi A silicon photonic interferometric router device based on SCISSOR concept, IEEE J. Light. Tech., 29 (2011) Letture consigliate I lavori del Laboratorio di Nanoscienze si trovano alla pagina web del laboratorio ( Inoltre si consigliano le seguenti letture: Silicon based microphotonics: from basics to applications, Proceedings of the International School of Physics E. Fermi : Course CXLI, a cura di O. Bisi, S. U. Campisano, L. Pavesi e F. Priolo (IOS press, Amsterdam) Silicon Photonics, a cura di L. Pavesi and D. Lockwood, in Topics in Applied Physics, vol. 94 (Springer-Verlag, Berlin) Optical interconnects: the silicon approach, a cura di L. Pavesi e G. Guillot, in Springer series in Optical Sciences, vol. 119 (Springer Verlag, Berlin) Silicon Nanocrystals; Fundamentals, Synthesis and Applications a cura di L. Pavesi e R. Turan (Wiley-VCH Verlag GmbH, Berlin) Silicon Photonics II: Components and Integration, a cura di D. Lockwood e L. Pavesi, Springer Series: Topics in Applied Physics, vol. 119 (Springer Verlag, Berlin) Lorenzo Pavesi Lorenzo Pavesi è professore ordinario di fisica sperimentale e dirige il laboratorio Nanoscienze all Università di Trento. Ha ricevuto un dottorato di ricerca dal Politecnico Federale di Losanna. Venuto a Trento nel 1990 ha lavorato sulla fotonica in silicio, prima occupandosi di silicio poroso e poi di silicio nanocristallino. Negli ultimi anni, ha cercato di ampliare lo spettro di applicazione della fotonica al silicio nel campo delle reti ottiche su chip, delle energie rinnovabili e delle applicazioni alla sensoristica ambientale e medicale. Ha pubblicato più di 300 lavori, ha editato più di 10 libri, ha un fattore H di 43, ed è distinguished speaker della società di fotonica dell IEEE e dello SPIE. vol28 / no1-2 / anno2012 > 15