Il progetto GrapHICS esplora la tecnologia a basso costo e a basso budget termico del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) insieme alle eccellenti proprietà elettro-ottiche del grafene (Gr) per dimostrare una nuova piattaforma fotonica che può essere realizzata con processi CMOS. Il dispositivo dimostratore è un router attivo MxN destinato a sostituire gli splitter passivi utilizzati oggi nelle reti ottiche passive (PON). Aumenterà la flessibilità e la scalabilità della progettazione della rete, offrendo al contempo vantaggi in termini di costo, funzionalità e consumo energetico.
GrapHICS fa parte dello Spoke 1 – Pervasive and Photonic Network Technologies and Infrastructures
PI del progetto: Francesco Giuseppe Della Corte
- È stato effettuato uno studio sulle caratteristiche dei possibili substrati di silicio su isolante da utilizzare per il progetto.
- Inoltre, è stato condotto uno studio approfondito sugli effetti della deposizione di a-Si:H sul grafene (Gr) utilizzando la tecnica PECVD. I partner hanno esplorato potenziali strategie per mitigare l'impatto del processo su Gr e hanno acquisito preziose informazioni sulla tecnica utilizzata per valutare la qualità del grafene, dell'a-Si:H e dell'interfaccia. Questa indagine preliminare pone le basi per la prossima fase sperimentale. Sono stati progettati e completamente caratterizzati risonatori ad anello larghi 30 um.
- Uno schema di energizzazione power-over-fiber di un interruttore ottico attivo è stato studiato e verificato sperimentalmente. È stato realizzato un circuito ottimizzato e sono stati effettuati test sperimentali di modulazione su un interruttore Mach-Zehnder.
- Sono stati progettati due interruttori ottici integrati: un risonatore a microanello con uscite diritte e a goccia e uno splitter planare che funziona secondo il principio dell'evoluzione adiabatica dei modi in guide d'onda coniche. Quest'ultimo dispositivo costituirà l'interruttore base per la progettazione della matrice di interruttori. In entrambi i casi, sono state considerate due dimensioni della guida d'onda, una guida d'onda a sezione larga e una a sezione stretta.
- Conoscere le principali tecnologie e i parametri di processo utilizzati per depositare silicio amorfo idrogenato. In particolare, è stato condotto uno studio approfondito sugli effetti della deposizione di a-Si:H sul grafene (Gr) utilizzando la tecnica PECVD. L'obiettivo principale è quello di capire come questo processo alteri le proprietà del grafene.
- Sviluppo di una soluzione per implementare l'architettura power-over-the-fiber. È stato scelto e caratterizzato un fotodiodo ad ampia larghezza di banda ottica ed è stato progettato, realizzato e testato un circuito convertitore dc-dc ad alta efficienza, che dovrebbe essere in grado di fornire fino a 30 mW di potenza.
- Studio di diversi dispositivi per realizzare la commutazione spaziale della luce, al fine di selezionare quello più affidabile e a bassa potenza. Finora sono stati presi in considerazione risonatori a microring, con configurazioni parallele e seriali, strutture di interferenza multimodali, commutatori ottici digitali basati su Y-splitter adiabatici. Recentemente è stato avviato uno studio volto a simulare l'integrazione di strati di grafene come materiale attivo per indurre la commutazione. Infine, l'effetto plasma-ottico è stato caratterizzato per la prima volta in a-SiC, osservando lo spostamento della frequenza di risonanza in un risonatore ad anello largo 30 um sotto illuminazione.
- Progettazione di guide d'onda a-Si/c-Si a sezione larga, monomodali e indipendenti dalla polarizzazione.
- È iniziato il processo di fabbricazione del dispositivo adiabatico a grande sezione trasversale e la tecnologia di scrittura laser si è dimostrata efficace per la definizione delle guide d'onda coniche integrate. In vista dell'inserimento di un condensatore di grafene come elemento attivo all'interno delle guide d'onda, sottili strati di TiO2 sono stati evaporati termicamente su strati di grafene. Le misurazioni Raman hanno dimostrato la conservazione delle proprietà del grafene dopo il processo.
Progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di risonatori ad anello a base di a-Si:H su un substrato di silicio su ossido. Il dispositivo mostra anche una modulazione termo-ottica, indotta dall'effetto Juole in un micro-riscaldatore di Ti definito sulla sua superficie superiore mediante fotolitografia. Alla lunghezza d'onda per telecomunicazioni di 1550 nm, il modulatore termo-ottico consuma una potenza elettrica di 3 mW per consentire uno spostamento della lunghezza d'onda di risonanza corrispondente a un'ampia profondità di modulazione di circa il 96%.
La modulazione termo-ottica dinamica è stata dimostrata a una frequenza di commutazione di 10 kHz con tempi di salita e discesa rispettivamente di 16 e 13 us. L'effetto plasma-ottico è stato caratterizzato anche in a-SiC:H.
Schema di energizzazione power-over-fiber di un interruttore ottico attivo studiato approfonditamente e verificato sperimentalmente. In particolare, i componenti del circuito sono stati caratterizzati separatamente e poi modellati per essere inclusi in uno strumento di simulazione di circuiti elettronici simile a SPICE. È stato poi realizzato il circuito ottimizzato e sono state effettuate prove sperimentali di modulazione su un interruttore Mach-Zehnder.
Un nuovo interruttore ottico integrato è stato progettato e caratterizzato mediante simulazioni numeriche. Il dispositivo si basa su uno splitter planare che funziona secondo il principio dell'evoluzione adiabatica dei modi in guide d'onda coniche. La variazione dell'indice di rifrazione necessaria per indurre la commutazione è compatibile con quella ottenibile modificando il livello di Fermi in un condensatore di Grafene/isolante/Grafene.
È stato dimostrato che la deposizione di strati sottili di TiO2 di buona qualità tramite evaporazione termica su strati di grafene, in vista dell'inserimento di un condensatore di grafene all'interno di una guida d'onda, preserva le caratteristiche del grafene.
Un circuito di pilotaggio per switch, basato su tecniche di progettazione a bassissimo consumo e microcontrollori, è stato realizzato e testato su veri switch MZ-TO. Il circuito integra anche il protocollo di comunicazione ottica per l'indirizzamento della configurazione dello switch.
Papers:
E.D. Mallemace, Y.L., X. Shi, D. Chaussende, V. Tabouret, S. Rao, H. Ou, F. G. Della Corte, Amorphous silicon-carbide modulator based on the thermo-optic effect, ICSCRM - International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2023, 17-22 September 2023, Sorrento, Italy
Rao, S., Mallemace, E.D., Faggio, G. et al. Experimental characterization of the thermo-optic coefficient vs. temperature for 4H-SiC and GaN semiconductors at the wavelength of 632 nm. Sci Rep 13, 10205 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37199-6
B. Hashemi, S. Rao, M. Casalino, Francesco Della Corte, 2Design and Simulation of Single-Mode and Polarization Independent Deeply Etched Amorphous Silicon on SOI Waveguides, Photoptics 2024 Conference, Rome 21-23 Feb 2024
La modulazione termo-ottica dinamica è stata dimostrata a una frequenza di commutazione di 10 kHz con tempi di salita e discesa rispettivamente di 16 e 13 us. L'effetto plasma-ottico è stato caratterizzato anche in a-SiC:H.
Schema di energizzazione power-over-fiber di un interruttore ottico attivo studiato approfonditamente e verificato sperimentalmente. In particolare, i componenti del circuito sono stati caratterizzati separatamente e poi modellati per essere inclusi in uno strumento di simulazione di circuiti elettronici simile a SPICE. È stato poi realizzato il circuito ottimizzato e sono state effettuate prove sperimentali di modulazione su un interruttore Mach-Zehnder.
Un nuovo interruttore ottico integrato è stato progettato e caratterizzato mediante simulazioni numeriche. Il dispositivo si basa su uno splitter planare che funziona secondo il principio dell'evoluzione adiabatica dei modi in guide d'onda coniche. La variazione dell'indice di rifrazione necessaria per indurre la commutazione è compatibile con quella ottenibile modificando il livello di Fermi in un condensatore di Grafene/isolante/Grafene.
È stato dimostrato che la deposizione di strati sottili di TiO2 di buona qualità tramite evaporazione termica su strati di grafene, in vista dell'inserimento di un condensatore di grafene all'interno di una guida d'onda, preserva le caratteristiche del grafene.
Un circuito di pilotaggio per switch, basato su tecniche di progettazione a bassissimo consumo e microcontrollori, è stato realizzato e testato su veri switch MZ-TO. Il circuito integra anche il protocollo di comunicazione ottica per l'indirizzamento della configurazione dello switch.
Papers:
E.D. Mallemace, Y.L., X. Shi, D. Chaussende, V. Tabouret, S. Rao, H. Ou, F. G. Della Corte, Amorphous silicon-carbide modulator based on the thermo-optic effect, ICSCRM - International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2023, 17-22 September 2023, Sorrento, Italy
Rao, S., Mallemace, E.D., Faggio, G. et al. Experimental characterization of the thermo-optic coefficient vs. temperature for 4H-SiC and GaN semiconductors at the wavelength of 632 nm. Sci Rep 13, 10205 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37199-6
B. Hashemi, S. Rao, M. Casalino, Francesco Della Corte, 2Design and Simulation of Single-Mode and Polarization Independent Deeply Etched Amorphous Silicon on SOI Waveguides, Photoptics 2024 Conference, Rome 21-23 Feb 2024
L’obiettivo finale di GrapHICS è accelerare il percorso verso il mercato per innovazioni rivoluzionarie e, in definitiva, contribuire al raggiungimento degli ambiziosi obiettivi di sostenere la competitività industriale e la leadership nel mercato fotonico in rapida crescita del Fiber-to-the-Home (FTTH). Copre l'integrazione di circuiti elettronici ad alta velocità con la fotonica unendo entrambi i campi con una piattaforma di integrazione perfetta. Inoltre, superando la limitazione degli attuali componenti passivi, le soluzioni sviluppate in questo progetto saranno adatte anche per l'informatica avanzata e altre applicazioni. La partecipazione strategica di un'azienda di rete come OpenFiber testimonia l'attualità degli ambiziosi obiettivi del Progetto, sia in termini di funzionamento della rete che di risparmio energetico.
E.D. Mallemace, Y.L., X. Shi, D. Chaussende, V. Tabouret, S. Rao, H. Ou, F. G. Della Corte, Amorphous silicon-carbide modulator based on the thermo-optic effect
ICSCRM - International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2023,
17-22 September 2023, Sorrento, Italy
Uno schema di energizzazione power-over-fiber di un interruttore ottico attivo è stato implementato con successo in un ambiente di laboratorio. I componenti del circuito sono stati caratterizzati separatamente e quindi modellati per essere inclusi in uno strumento di simulazione di circuiti elettronici (simile a SPICE). È stato poi realizzato il circuito ottimizzato e sono state effettuate prove sperimentali di modulazione su un interruttore Mach-Zehnder.
Uno schema di energizzazione power-over-fiber di un interruttore ottico attivo è stato implementato con successo in un ambiente di laboratorio. I componenti del circuito sono stati caratterizzati separatamente e quindi modellati per essere inclusi in uno strumento di simulazione di circuiti elettronici (simile a SPICE). È stato poi realizzato il circuito ottimizzato e sono state effettuate prove sperimentali di modulazione su un interruttore Mach-Zehnder.
- Studenti MSc coinvolti
- previsto: 6
- realizzato: 3
- prontezza: 100%
- seminari/giornate informative per studenti BSc/MSc
- previsto: 1
- realizzato: 2
- prontezza: 100%
- Pubblicazioni
- previsto: 12
- realizzato: 7
- Livello di prontezza: 66%
- Pubblicazioni congiunte
- previsto: 5
- realizzato: 4
- Livello di prontezza: 80%
- Conferenze/eventi di disseminazione
- previsto: 3
- realizzato: 2
- Livello di prontezza: 66%
- Demo/PoC
- previsto: 1
- realizzato: 0
- Livello di prontezza: 0%
- Riunioni di progetto
- previsto: 6
- realizzato: 4
- Livello di prontezza: 100%
- Brevetti/Innovazioni
- previsto: 0
- realizzato: 0
- Livello di prontezza: -
- Contributi open source
- previsto: 0
- realizzato: 0
- Livello di prontezza: -
- Contributi di standardizzazione
- previsto: 0
- realizzato: 0
- Livello di prontezza: -
Ricercatori coinvolti: 70
Proposte di collaborazione:
Il progetto è aperto a collaborazioni sui seguenti temi:
- Architetture di rete ottiche verdi.
- Nuovi materiali e nuovi circuiti integrati fotonici per le comunicazioni dati.
- Modellazione del livello fisico e scalabilità della capacità nei sistemi di comunicazione ottica.
È possibile avanzare proposte di collaborazione sul progetto contattando il PI del progetto.
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