Fotonica del silicio: cos’è e perché è essenziale all’implementazione del 5G

La fotonica è il campo dell’ottica che studia tutte le applicazioni legate alla trasmissione di informazione mediante la propagazione di radiazione luminosa coerente. La fotonica del silicio è una recente evoluzione della fotonica tradizionale, che utilizza il silicio come mezzo ottico, resa possibile dalla scoperta di un modo innovativo di modulare la luce (effetto di dispersione del plasma).

Fotonica del silicio, i principali vantaggi

L’importanza della fotonica del silicio risiede nella possibilità di coniugare le consolidate ed economiche tecniche di produzione utilizzate nella microelettronica con i vantaggi tipici della comunicazione ottica:

  • minima dissipazione di potenza, alta velocità di trasmissione,
  • elevata larghezza di banda.

A differenza dei dispositivi optoelettronici di tipo tradizionale, che sono realizzati integrando una serie di componenti discreti all’interno di un involucro sigillato ermeticamente, la fotonica del silicio abilita l’integrazionein un unico chipdi molteplici circuiti e funzionalità di tipo ottico (per esempio multiplexer, attenuatori, switch, accoppiatori).

Questo elimina la necessità di assemblare manualmente molti componenti, rende i dispositivi della fotonica del silicio molto più compatti di quelli tradizionali, abilita produzioni su vasta scala e permette di utilizzare lo stesso tipo di “packaging” usato nell’elettronica.

La fotonica del silicio è anche in grado di ottimizzare il sistema WDM (Wavelength Division Multiplexing) per la scomposizione di un segnale luminoso in molteplici componenti spettrali, incrementando il numero di canali di comunicazione (fino a 40) che possono operare in parallelo su un singolo cavo in fibra ottica.

Ne consegue che la fotonica al silicio abilita la realizzazione di interconnessioni più veloci, a bassa latenza, con una maggiore larghezza di banda, utilizzando componenti di dimensione inferiore, dissipando meno potenza e con un’economia di scala e un costo vicini a quelli della microelettronica tradizionale.

Ad avvantaggiarsi di queste opportunità saranno i data center di nuova generazione, i computer ad alte prestazioni ma anche la nuova generazione di rete per la comunicazione mobile: il 5G.

Fotonica del silicio e 5G

La tecnologia di rete wireless di quinta generazione promette di rivoluzionare la società e l’industria, ponendo le basi per un mondo totalmente interconnesso.

Ad alimentare l’evoluzione del 5G concorrono un mercato di comunicazione mobile in crescita ma, soprattutto, lo sviluppo portato da Internet of Things, realtà aumentata, Industry 4.0 e comunicazioni M2M.

Si prevede che il nuovo ecosistema di accesso 5G dovrà sostenere un aumento medio del traffico 10 volte superiore a quello attualecon picchi mille volte superiori. Il 5G ospiterà molti servizi “time sensitive”, che richiederanno bassissima latenza di trasmissione, utilizzerà tecnologie radio che si estenderanno a nuove bande (oltre i 10 GHz), prevedrà l’aggregazione di carrier e nuove tecniche di beam forming. Parallelamente, la rete di trasporto per le applicazioni dovrà garantire maggiore capacità per trasportare un maggior numero di utenti e di oggetti connessi e per supportare i requisiti prestazionali sempre più spinti chiesti dalle nuove applicazioni. Tutto ciò dovrà essere conseguito in modo flessibile, economico e sostenibile.

Abilitare queste caratteristiche richiede una trasformazione della rete di accesso mobile (Radio Access Network o, più semplicemente, RAN), a cui deve corrispondere un ripensamento della rete di trasporto sottostante.

La fotonica è il candidato ideale per rispondere a queste esigenze. Tuttavia, le tecnologie di rete ottiche di tipo tradizionale (SDH/SONET, WDM, OTN e così via), basate su componenti e moduli discreti e utilizzate efficacemente nelle reti “core” e metro, non soddisfano i requisiti di basso costo, consumo di potenza ridotto ed elevato livello di miniaturizzazione richiesti dalla nuova RAN. Inoltre, l’uso di WDM tradizionale, fondamentale per incrementare l’efficienza, risulta troppo costoso e non abbastanza performante per poter essere sfruttato su una rete di tipo RAN.

La fotonica del silicio, grazie alle sue caratteristiche prestazionali e alla possibilità di utilizzare le tecnologie di produzione CMOS a basso costo, rappresenta pertanto l’unica e irrinunciabile scelta possibile per rispondere a tutti questi requisiti.

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