Applicazioni della Fotonica in Silicio: Reti Ottiche di Trasporto e Generatori di Numeri Causali Quantistici

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.