Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi ha origine da due differenti progetti di ricerca volti a realizzare dispositivi basati sulla Fotonica in Silicio per applicazioni in cui l'integrazione, la miniaturizzazione e il basso consumo di potenza sono di fondamentale importanza.
La tesi è divisa in tre parti:
la prima offre una panoramica generale su mercati emergenti e applicazioni di potenziale interesse per la Fotonica in Silicio;
nella seconda sono documentati i principali risultati sperimentali ottenuti durante la mia attività di ricerca;
la terza discute le strategie di trasferimento tecnologico che possono essere attivate per tradurre i risultati della ricerca accademica in possibili asset per industria hi-tech o nuova imprenditoria.
L'obiettivo del primo progetto (IRIS - http://www.ict-iris.eu) è lo sviluppo di un rooter integrato riconfigurabile, basato sulla Fotonica in Silicio, da installare in corrispondenza dei nodi del segmento metro della rete di trasporto ottico per abilitare la riconfigurazione dinamica della rete, in modo tale da ottimizzare l'utilizzo delle risorse e ridurre il consumo di energia. Il sistema integra più di mille componenti fotonici, come interleavers, arrayed waveguide gratings (AWGs), micro-risonatori ad anello e interferometri Mach–Zehnder, ciascuno controllata in modo indipendente da un circuito elettronico dedicato.
I principali risultati che ho ottenuto in questo progetto sono: la realizzazione di una geometria di AWG robusta, compatta e pilotabile per applicazioni di multiplessaggio/de-multiplessaggio in lunghezza d'onda; l'implementazione di un algoritmo di ottimizzazione per determinare i parametri elettrici per abilitare il funzionamento di un nodo (un risonatore ottico a doppio anello) all’interno della matrice.
Il secondo progetto (SiQuro - http://events.unitn.it/en/siquro) ha lo scopo di sviluppare dei circuiti fotonici quantistici per una vasta gamma di applicazioni, dalla computazione quantistica alle comunicazioni sicure. Uno degli obiettivi di SiQuro è produrre il primo generatore quantistico di numeri casuali (QRNG) realizzato interamente in silicio per applicazioni di crittografia. L’architettura del QRNG coinvolge tre blocchi principali: un diodo elettroluminescente a nanocristalli di silicio come fonte di entropia, un rivelatore CMOS con capacità di discriminare i singoli fotoni e un circuito di elaborazione in grado di estrarre bit casuali.
Il mio contributo in questo progetto ha riguardato principalmente: la modellizzazione dei fenomeni di iniezione, trasporto e ricombinazione dei portatori di carica all’interno di un diodo elettroluminescente basato su nanocristalli di silicio, confermata dalle evidenze sperimentali; la valutazione dei risultati dei test di randomicità eseguiti sulle sequenze di bit estratti da diversi prototipi di QRNG.
Ulteriore obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sondare vaire strategie per portare la Fotonica in Silicio dai laboratori di ricerca al mercato. La modellizzazione e la prototipazione sono solo i primi passi di un percorso che richiede un’attenta analisi del contesto economico per individuare i potenziali mercati, le applicazioni e i partner industriali con cui impostare collaborazioni per la realizzazione di prodotto commerciale.
Nel caso del progetto SiQuro ho dedicato particolare impegno nel promuovere il QRNG presso il mondo industriale. Lo studio comparativo delle diverse tecnologie di generazione di numeri casuali già presenti sul mercato, come pure un’accurata stima dei costi, sono solo fasi preparatorie per la commercializzazione di un prodotto. Nonostante la difficoltà di stabilire delle collaborazioni industriali solide, lo scenario che si profila è molto promettente, soprattutto in vista delle molte applicazioni di nicchia che si ritiene possano crescere significativamente nel prossimo futuro.
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Abstract
This thesis work originates from two different research projects aimed at realizing Silicon Photonics devices for two different applications, where integration, scalability and low power consumption have a crucial relevance.
The work is divided into three parts:
the first one gives a general overview on the emerging markets and applications for Silicon Photonics;
the second one reports on the main experimental results that have been achieved during my research activity;
the third one discusses the technology transfer strategies that can be activated to turn the findings of an academic research into possible assets for hi–tech industry/entrepreneurship.
The goal of the first project (IRIS project - http://www.ict-iris.eu) is the development of an integrated reconfigurable Silicon Photonics based optical switch to be placed at the nodes of the current metro network to enable dynamic reconfiguration of the network while optimizing transport resource utilization and lowering capital cost as well as power consumption. The full–packaged solution integrates more than one thousand of photonic components, such as interleavers, arrayed waveguide gratings (AWGs), micro ring–resonators and Mach–Zehnder interferometers, each one independently controlled by a dedicated electronic circuit.
My main achievements in this project have been: the development of a robust, compact and tunable component based on an AWG for dense wavelength division multiplexing; the implementation of an optimization algorithm to determine the electrical parameters to make the switching nodes (double micro–ring optical resonators) working in the full matrix.
The second project (SiQuro project - http://events.unitn.it/en/siquro) is aimed at achieving low cost and mass manufacturable quantum photonic circuits for a variety of different applications in quantum computing, secure communications and services. In particular, one of the tasks of SiQuro is to fabricate the first all–silicon quantum random number generator (QNRG) for cryptographic applications. Three main building blocks are involved in the QNRG architecture: a silicon nanocrystal based light emitting device as source of entropy, a CMOS detector with single photon detection capability, and a processing circuit able to extract the random bits.
My main contributions on this topic have been: the modelling of the charge injection, transport and recombination phenomena in the silicon nanocrystal based light emitting device through dedicated time–resolved measurements; the evaluation of the quality of the randomness in the QRNG performed on the bit–stream from different QRNG prototypes.
The fundamental question that originated this work is how is it possible to move Silicon Photonics from the laboratory to the market. The modelling and validation of prototypes are fundamental steps to transfer the academic research to industrial applications. However, this is only the first stage of the technology transfer process, which also needs for a careful analysis of the economic environment to identify the target markets, the killer applications and the industrial partners to team up with for the manufacturing.
In the case of the SiQuro project, I dedicated a special effort to move the QRNG to the market. A comparative study on the different random number generation technologies and an accurate estimation of costs are only preparatory steps for a product to be considered for commercialization. Despite the difficulty in establishing industrial partnership, a promising scenario is opening for such a solution, which finds its natural market in many different niche applications that are expected to grow significantly in the near future.
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