Il punto sulla fotonica

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Il nuovo stadio evolutivo dell’optoelettronica è la fotonica del silicio, o silicon photonics, e mira ad abbracciare non solo i dispositivi elettro-ottici circuitali ma anche le comunicazioni ottiche e tutte quelle applicazioni dove oggi il silicio e i segnali fotonici sembrano andare molto d’accordo. È noto che i fotoni si muovono molto più in fretta degli elettroni e l’incessante ricerca di nuove tecnologie per la trasformazione dei segnali dall’una all’altra forma offre oggi nuove opportunità per utilizzare i segnali ottici nel trasporto delle informazioni e nella visualizzazione in un’infinità di occasioni precluse solo fino a due o tre anni fa.

Fig. 1 – Nel 2016 i fornitori di servizi in rete cominceranno a installare dappertutto le reti Ethernet 100GbE e ciò farà crescere il mercato dei transceiver ottici

Consumer Electronics Association ha rilevato negli ultimi tre anni un’incessante proliferazione di componenti e dispositivi fotonici fra i prodotti elettronici di consumo e soprattutto nelle cinque categorie chiave degli smartphone, tablet, computer portatili, televisori e consolle di gioco, ma sottolinea anche un’importante crescita della fotonica nelle applicazioni più innovative come ad esempio i sistemi diagnostici indossabili e i controlli automotive. Ciò che appare subito evidente è la qualità visiva dei nuovi display a cristalli liquidi che migliorano in brillantezza e cromaticità grazie agli economici OLED di nuova generazione e di ciò si avvantaggiano tutti i settori dell’elettronica consumer a cominciare dai televisori che diventano ultra sottili e deformabili.

CEA considera la fotonica sul silicio strategica per migliorare l’indice SWaP-C (Size, Weight, Power and Cost) dei prodotti perché consente di introdurre soluzioni applicative ad alto valore aggiunto e basso costo. Un esempio ne sono i sensori per l’imaging termico che poco tempo fa erano montati solo su strumenti relativamente costosi oltre che sofisticati e difficili da usare mentre oggi li troviamo come App negli smartphone e diventano comodamente utilizzabili da tutti per fotografare le condizioni termiche degli oggetti.

Fig. 2 – Nonostante la difficile congiuntura in Europa la fotonica è in buona salute come dimostra l’analisi dell’Optech Consulting

Global Industry Analysts stima una considerevole crescita della fotonica applicata alla biologia e alla medicina trainata prevalentemente dalle applicazioni di imaging più innovative come la spettroscopia vibrazionale, l’analisi della luce diffusa o dell’autofluorescenza e la chemometria. Questi analisti prevedono una crescita fino al valore globale di 70 miliardi di dollari entro il 2020 con un Cagr del 15,7% conquistato soprattutto negli USA e in Asia.

Buone sono le prospettive anche per le comunicazioni ottiche come si evince dal report “10G/40G/100G Telecom Optics” pubblicato dagli analisti di IHS Infonetics che registrano già a buon punto il graduale passaggio dai transceiver da 40G a quelli da 100G ma pronosticano il 2016 come vero anno di svolta quando le reti Ethernet 100 GbE non saranno più appannaggio di pochi fortunati ma verranno proposte e installate dai fornitori di servizi un po’ dappertutto. Di conseguenza il valore globale dei transceiver ottici salirà dagli attuali 1,4 fino a 2,1 miliardi di dollari entro il 2019 e particolarmente in questo caso gli acquisti più consistenti saranno fatti dai provider cinesi che stanno riammodernando le loro reti e a quanto pare preferiscono sostituire con i 100G sia i 40G sia i 10G.

Fig. 3 – Succede da cinque anni ma anche nel 2014 crescono gli ordini di laser industriali tedeschi e di pari passo i costruttori teutonici aumentano la produzione e le vendite

Le prospettive europee

Nonostante la difficile congiuntura in Europa la fotonica sta andando bene e a dirlo è Optech Consulting che ha conteggiato un valore di 60 milioni di Euro nel 2014 contro i 58 del 2013 ovvero con un 3% di crescita che dovrebbe protrarsi ancora per almeno tre anni. Secondo loro il picco del 2011 era dovuto alla momentanea impennata di vendite dei pannelli fotovoltaici europei poi crollati nettamente nel 2012, quando le industrie asiatiche cominciarono a sfornare grandi volumi degli stessi prodotti a prezzi più competitivi. Oggi a trainare la fotonica made-in-Europe sono i prodotti per l’industria e per il medicale che vengono fabbricati prevalentemente in Germania che da sola ne produce il 40%.

In effetti, la German Engineering Federation ha registrato nel 2014 ben 1044,7 milioni di Euro di ordini di sistemi laser industriali tedeschi, con una crescita del 20% rispetto ai 870,7 M€ ordinati nel 2013, mentre i costruttori teutonici sono riusciti ad aumentare la produzione dell’11,1% e soddisfare 852,3 M€ di vendite contro i 767,2 M€ del 2013. Non è un caso che fra gli istituti di ricerca più avanzati nella fotonica troviamo il Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT), che ha coniato a tal scopo lo slogan “from bits to photons to atoms” per battezzare il suo nuovo Digital Photonic Production (DPP) Innovation Center dedicato allo sviluppo delle tecnologie fotoniche applicate. In particolar modo, il DPP svilupperà nuove idee per la fusione laser selettiva, o Selective Laser Melting (SLM), che consente di fondere e forgiare le polveri metalliche della stampa 3D utilizzando per lo più i laser a cavità verticale (VCSEL) o i laser a impulsi ultracorti.

Fig. 4 – Yole Développement prevede fino al 2020 una continua crescita soprattutto in volume per i LED a fosfori PFS che si avvantaggeranno dei nuovi sistemi di conversione fotonica a punti quantici

Quando basta un fotone

Il report “Phosphors & Quantum Dots 2015: LED Downconverters for Lighting & Displays” pubblicato ad aprile dai francesi di Yole Développement prevede buone prospettive per i prodotti di visualizzazione ottenuti utilizzando i LED a fosfori e la conversione cromatica attraverso i punti quantici. La recente inequivocabile affermazione degli OLED plastici ha causato un calo generalizzato dei prezzi dei LED che ha stimolato i costruttori a sperimentare nuovi materiali attivi fra cui i silicati, i fluorosilicati come il PFS (Potassium Fluorosilicate) e le varianti dello YAG (granato di ittrio e alluminio) ,come il LuAG e il GaYAG. Questi nuovi tipi di LED a fosforescenza promettono di competere con gli OLED che sono attualmente i preferiti sul mercato grazie al loro imbattibile rapporto prestazioni/costo.

D’altro canto, sono state proprio le ricerche sui nuovi LED a incoraggiare lo sviluppo del concetto dei punti quantici (Quantum Dots, QD) che oggi guadagna consensi nel mercato della visualizzazione soprattutto per la conversione della luce dei LED di retroilluminazione negli schermi LCD. Rispetto agli OLED, i LED a punti quantici offrono una banda di emissione più stretta che può essere sintonizzata finemente e consente una maggior flessibilità di configurazione e implementazione applicativa. Al CES d’inizio anno si sono visti i primi televisori QDLCD che appaiono con un rapporto qualità/costo migliore di quello degli OLED e hanno perciò le carte in regola per sfidarli in competitività sul mercato.

Fig. 5 – I QD-LED hanno un’emissione finemente controllabile che può offrire una resa cromatica nelle immagini notevolmente migliore rispetto agli OLED

In pratica, i punti quantici sono dei convertitori fotonici che ricevono la luce dei LED bianchi di retroilluminazione ed emettono per fluorescenza una luce con banda molto stretta in un qualsiasi colore dello spettro visibile. Strutturalmente sono delle “palline” di semiconduttore con diametro di una manciata di nanometri inserite all’interno di un altro semiconduttore che ha un gap fra le bande di conduzione e valenza molto maggiore. Attorno a ogni pallina si forma un pozzo di potenziale in grado di separare elettricamente i portatori di carica del semiconduttore interno da quelli del semiconduttore circostante e questo spiega la denominazione di “punti quantici”.

Inoltre, le dimensioni del volume che ospita ogni punto quantico determinano anche la sua lunghezza d’onda di risonanza e i livelli energetici di assorbimento ed emissione. In pratica, i volumi con diametro compreso all’incirca fra 2 e 10 nm, corrispondono allo spettro visibile e, precisamente, le palline più grandi con diametro tra 8 e 10 nm risuonano a energia più alta ed emettono sul rosso, mentre le più piccole tra i 2 e 4 nm emettono sul blu. I diametri dei nano-volumi si possono scegliere nella fase di fotolitografia ma bisogna anche tener presente che al loro interno c’è sempre un numero discreto di modi risonanti ciascuno con la propria probabilità di occupazione da parte dei fotoni. Di conseguenza si può decidere quale modo far prevalere sugli altri e, in definitiva, scegliere finemente la lunghezza d’onda di emissione e avere a disposizione un’ampia gamma di gradazioni del colore.

Ciò significa che i pannelli di punti quantici offrono una resa cromatica notevolmente superiore rispetto a qualsiasi altra tecnologia basata sui diodi laser. Per la loro fabbricazione bastano gli stessi impianti che si usano per i chip e i MEMS senza alcun investimento aggiuntivo e inoltre, rispetto agli altri tipi di LED i QD sono molto più facilmente integrabili sullo stesso die di silicio al fianco di qualsiasi altro componente di controllo, misura o connessione e ciò consente di realizzare sistemi multifunzione ancor più completi e versatili.

Sono già disponibili in commercio sia QD-LED, Quantum Dots LED, sia QDP, Quantum Dots Photodetectors, e sono in fase di sviluppo Quantum Dot per la fotocatalisi tipicamente utilizzata nei pannelli solari e anche QD per sensori nanometrici da installare nei nanosistemi diagnostici con infinite applicazioni in medicina e biologia. Essendo intrinsecamente molto robusti, i QD sono ideali per realizzare schermi di visualizzazione a elevate prestazioni per tutte le applicazioni industriali, automotive, medicali, consumer e aerospaziali.

Lucio Pellizzari

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