La fotonica incontra la stampa 3D: micro-ottiche, laser e nuove infrastrutture per l’intelligenza artificiale
La crescita dell’intelligenza artificiale non dipende soltanto dalla disponibilità di processori più potenti. Nei grandi centri di calcolo, una parte decisiva delle prestazioni è legata alla capacità di trasferire enormi quantità di dati tra GPU, memorie, sistemi di archiviazione e apparati di rete.
Quando migliaia di acceleratori lavorano insieme, la velocità del singolo chip non è sufficiente. I dati devono raggiungere il processore giusto nel momento giusto, evitando che costose unità di calcolo rimangano inattive in attesa delle informazioni necessarie.
Per affrontare questo problema, l’industria sta aumentando l’impiego della fotonica, cioè l’insieme delle tecnologie che generano, controllano, modulano e trasmettono la luce.
La fotonica non riguarda soltanto le fibre ottiche utilizzate nelle telecomunicazioni. Comprende laser, sensori, transceiver ottici, guide d’onda, micro-lenti, sistemi di imaging, componenti per la produzione industriale e dispositivi capaci di modificare la forma e la distribuzione di un fascio luminoso.
In questo settore operano aziende molto diverse tra loro. Tra queste figurano Coherent Corp., uno dei maggiori gruppi mondiali nella produzione di laser, materiali ottici e componenti per le comunicazioni, e Coherent Photonics, LLC, una società più piccola concentrata su nanofotonica, ottica diffrattiva e meta-ottica.
Coherent Photonics e Coherent Corp.: due società da non confondere
La somiglianza dei nomi può creare equivoci, ma si tratta di due organizzazioni distinte.
Coherent Photonics, LLC si presenta come una piccola impresa costituita per commercializzare soluzioni basate sulla nanofotonica e sulle trasformazioni coerenti della luce. Le sue attività comprendono la progettazione ottica, l’analisi delle tolleranze, la caratterizzazione dei dispositivi e il supporto alla fabbricazione.
L’azienda lavora su meta-materiali, ottica diffrattiva e meta-ottica, con applicazioni che includono sensori, navigazione autonoma, comunicazioni ottiche nello spazio libero, elettronica di consumo e sistemi di modellazione del fascio laser.
Una parte della sua proprietà intellettuale riguarda il controllo della risposta di un sistema ottico a una sorgente puntiforme, indicata con il termine tecnico point-spread function. Modificando questa risposta è possibile intervenire sulla forma e sulle dimensioni del punto focale e, più in generale, sulla distribuzione spaziale della luce.
Coherent Corp., invece, è un gruppo industriale quotato alla Borsa di New York con il simbolo COHR. L’azienda produce materiali avanzati, semiconduttori composti, laser, transceiver, amplificatori, componenti ottici e sistemi destinati ai data center, alle telecomunicazioni, alla produzione industriale, all’elettronica e alla strumentazione scientifica.
È Coherent Corp., e non Coherent Photonics, LLC, ad aver sottoscritto l’accordo strategico con NVIDIA per lo sviluppo e la produzione di tecnologie ottiche destinate alle future infrastrutture di intelligenza artificiale.
Perché i data center stanno passando dalla trasmissione elettrica a quella ottica
All’interno di un computer tradizionale, i dati viaggiano sotto forma di segnali elettrici lungo piste e collegamenti in rame. Questo approccio continua a essere efficace sulle brevi distanze, ma mostra limiti crescenti quando aumenta la quantità di informazioni da trasferire.
I collegamenti elettrici generano calore, consumano energia e diventano più difficili da gestire quando devono sostenere larghezze di banda molto elevate. Nei grandi cluster AI, le distanze tra i diversi gruppi di processori possono inoltre superare quelle tipiche di un singolo server.
La fibra ottica consente di trasferire una maggiore quantità di dati con minori perdite sulle distanze più lunghe. La sfida consiste nel portare le connessioni ottiche sempre più vicino ai processori.
Un transceiver ottico converte il segnale elettrico prodotto dal chip in un segnale luminoso, lo invia attraverso la fibra e compie l’operazione inversa all’altra estremità. Al suo interno sono presenti laser, modulatori, rivelatori, guide d’onda e sistemi di accoppiamento che devono essere posizionati con grande precisione.
Anche un errore di allineamento molto piccolo può ridurre la quantità di luce che entra nella fibra, aumentare le perdite e compromettere le prestazioni del dispositivo.
Per questo motivo la produzione dei componenti fotonici non è soltanto un problema elettronico. È anche un problema geometrico, ottico, termico e meccanico.
L’accordo tra NVIDIA e Coherent Corp.
Il 2 marzo 2026 NVIDIA e Coherent Corp. hanno annunciato un accordo strategico pluriennale dedicato alle tecnologie ottiche per i data center AI.
L’intesa comprende un investimento di 2 miliardi di dollari di NVIDIA in Coherent, un impegno di acquisto del valore di diversi miliardi e diritti di accesso alla futura capacità produttiva di laser e prodotti per le reti ottiche.
L’obiettivo non è soltanto sviluppare componenti con prestazioni superiori. NVIDIA vuole assicurarsi che esista una capacità industriale sufficiente per fabbricarli nei volumi richiesti dalle future infrastrutture di calcolo.
Un grande data center dedicato all’intelligenza artificiale può utilizzare decine di migliaia di connessioni ottiche. Il problema si sposta quindi dal prototipo alla produzione in serie: non basta dimostrare che un dispositivo funziona, ma occorre realizzarne migliaia mantenendo prestazioni, precisione e affidabilità costanti.
L’accordo sostiene anche l’espansione della produzione statunitense di Coherent Corp. L’azienda sta rafforzando, tra le altre cose, il proprio stabilimento di Sherman, in Texas, dedicato ai semiconduttori composti e ai componenti ottici utilizzati nelle infrastrutture AI.
La collaborazione si inserisce nel lavoro svolto da NVIDIA sulle reti con co-packaged optics, nelle quali una parte dei componenti ottici viene collocata accanto agli switch e ai circuiti di elaborazione. Ridurre la distanza tra elettronica e fotonica può diminuire consumi e perdite, oltre ad aumentare la larghezza di banda disponibile.
Dove entra in gioco la stampa 3D
La produzione additiva può intervenire nella fotonica a scale molto diverse.
Nel settore industriale, i laser sono già uno degli elementi centrali della stampa 3D metallica. Nei sistemi a letto di polvere, una o più sorgenti laser fondono selettivamente il materiale seguendo le sezioni del modello digitale.
La fotonica permette quindi di costruire componenti aerospaziali, utensili, scambiatori di calore, parti per turbine e dispositivi medicali. La qualità del fascio, la distribuzione dell’energia e il controllo del punto focale influenzano direttamente la fusione della polvere e le proprietà finali del pezzo.
A una scala molto più piccola, la stampa 3D può invece essere utilizzata per produrre direttamente componenti ottici.
Tecnologie come la polimerizzazione a due fotoni consentono di realizzare strutture tridimensionali misurate in micrometri. Il materiale fotosensibile viene solidificato all’interno di un volume estremamente ridotto, permettendo di costruire micro-lenti, elementi diffrattivi, guide d’onda e dispositivi per il controllo della luce.
Aziende come Nanoscribe e UpNano sviluppano sistemi di microfabbricazione basati su questo principio. Le loro macchine vengono impiegate nella ricerca fotonica, nella produzione di micro-ottiche e nello sviluppo di interconnessioni per circuiti fotonici integrati.
Una delle applicazioni più interessanti consiste nella stampa diretta di una micro-lente sull’estremità di una fibra ottica. Con i metodi tradizionali, lente e fibra devono essere prodotte separatamente, manipolate e allineate durante l’assemblaggio. La stampa diretta può ridurre il numero di componenti e limitare gli errori di posizionamento.
La produzione additiva permette anche di creare superfici ottiche non convenzionali, elementi con forme libere e strutture che modificano il percorso della luce. Queste geometrie possono risultare difficili o troppo costose da ottenere con stampaggio, incisione o lavorazioni sottrattive.
Meta-ottica e microfabbricazione additiva
La meta-ottica utilizza superfici composte da strutture più piccole della lunghezza d’onda della luce. Modificando forma, dimensione, orientamento e distribuzione di queste strutture è possibile controllare il comportamento del fronte d’onda.
In termini semplici, una meta-superficie può svolgere alcune funzioni normalmente affidate a lenti curve e sistemi composti da più elementi ottici.
Questo approccio può contribuire a realizzare dispositivi più sottili e compatti per sensori, videocamere, sistemi di navigazione, comunicazioni laser e strumenti scientifici.
Coherent Photonics, LLC lavora proprio su questi temi, affiancando alla progettazione delle strutture ottiche l’analisi delle tolleranze e il supporto alla fabbricazione.
Non significa che ogni meta-lente venga prodotta con una stampante 3D. Molte meta-superfici sono realizzate mediante litografia e processi derivati dalla produzione dei semiconduttori. La microstampa 3D può però affiancare queste tecniche nella prototipazione, nella realizzazione di strutture tridimensionali e nella fabbricazione di componenti difficili da ottenere con processi esclusivamente planari.
La gestione del calore nei dispositivi fotonici
La temperatura rappresenta uno dei principali problemi nella progettazione di moduli ottici compatti.
Laser, modulatori e circuiti elettronici generano calore. L’espansione termica può modificare di pochi micrometri la posizione dei componenti, una variazione sufficiente a compromettere l’allineamento ottico.
La produzione additiva può essere utilizzata per costruire supporti, telai e sistemi di raffreddamento con canali interni conformali. Questi canali possono seguire la forma del dispositivo e portare il fluido refrigerante vicino alle aree nelle quali viene generato più calore.
Un componente stampato può inoltre integrare funzioni che, con la produzione convenzionale, richiederebbero più parti separate: supporto meccanico, percorso di raffreddamento, fissaggi e alloggiamenti per sensori.
La riduzione del numero di giunzioni semplifica l’assemblaggio e limita i possibili spostamenti relativi tra i componenti.
Per i sistemi fotonici destinati ai data center, dove migliaia di moduli devono funzionare senza interruzioni, la stabilità termica e meccanica può essere importante quanto la velocità nominale del collegamento.
La fotonica nelle macchine per la produzione additiva
Il rapporto tra fotonica e stampa 3D funziona anche nella direzione opposta: non è soltanto la stampa 3D a produrre componenti ottici, ma sono i sistemi ottici a migliorare il processo di stampa.
Telecamere ad alta velocità, fotodiodi, sensori infrarossi e sistemi di imaging possono osservare il bagno di fusione durante la stampa metallica. L’obiettivo è rilevare variazioni di temperatura, emissioni anomale, spruzzi, mancanza di fusione o altri segnali associati alla formazione dei difetti.
Il controllo del processo può essere esteso alla distribuzione della polvere, alla geometria di ogni strato e alle condizioni termiche della camera di costruzione.
Confrontando i dati raccolti durante la stampa con il modello digitale, il sistema può individuare anomalie prima che il componente venga completato. In prospettiva, questi dati possono essere utilizzati per regolare in tempo reale potenza del laser, velocità di scansione e altri parametri.
Coherent Corp. opera sia nel campo delle sorgenti laser sia in quello dei componenti ottici e dei sistemi di rilevamento. Questa combinazione colloca il gruppo in una posizione significativa nello sviluppo delle future macchine additive dotate di un controllo di processo più avanzato.
Applicazioni oltre i data center
La stessa base tecnologica impiegata per trasportare dati tra processori trova applicazione in molti altri settori.
Nei sistemi di navigazione autonoma, laser e sensori ottici vengono utilizzati per misurare distanze e ricostruire l’ambiente circostante. Nei sistemi LiDAR, un fascio viene inviato verso un oggetto e il dispositivo misura il tempo impiegato dalla luce per tornare al sensore.
Nelle comunicazioni nello spazio libero, la luce può trasportare informazioni senza utilizzare una fibra. Il collegamento richiede però un controllo preciso del fascio e sistemi capaci di compensare vibrazioni, movimenti e perturbazioni atmosferiche.
Nella produzione industriale, i laser vengono impiegati per taglio, saldatura, marcatura, trattamento superficiale e fabbricazione additiva.
Nel settore medicale, le tecnologie fotoniche sono presenti nei laser chirurgici, negli endoscopi, nei sistemi di diagnostica e nella tomografia a coerenza ottica.
La fotonica è importante anche per la metrologia e l’ispezione. Sensori e telecamere possono controllare una produzione direttamente sulla linea, evitando di attendere la conclusione del processo per individuare eventuali difetti.
Una nuova fase industriale per i componenti ottici
La fotonica è utilizzata da decenni nelle telecomunicazioni e nella ricerca scientifica. Ciò che sta cambiando è la scala della domanda.
La crescita dei data center AI trasforma alcuni componenti ottici, un tempo prodotti in quantità limitate, in elementi necessari per infrastrutture industriali di grandi dimensioni.
Questa evoluzione impone di lavorare contemporaneamente su progettazione, materiali, dissipazione termica, assemblaggio, controllo qualità e capacità produttiva.
La stampa 3D non sostituirà tutti i processi utilizzati per costruire laser, chip fotonici o transceiver. Può però assumere un ruolo importante nella produzione di micro-ottiche, nella prototipazione di nuove geometrie, nella realizzazione di supporti integrati e nella gestione termica.
L’incontro tra fotonica, microfabbricazione e produzione additiva apre quindi uno spazio industriale più ampio della sola costruzione di componenti ottici.
Da una parte, i sistemi laser e i sensori rendono le stampanti 3D più precise e controllabili. Dall’altra, la produzione additiva permette di costruire strutture che guidano, concentrano e trasformano la luce.
In mezzo si trovano i data center, le fabbriche, i veicoli autonomi, i sistemi medicali e le reti di comunicazione che richiederanno quantità crescenti di hardware fotonico.
La sfida non sarà soltanto progettare dispositivi migliori. Sarà produrli in grandi volumi, con tolleranze ridotte e prestazioni uniformi. È proprio in questo passaggio dal laboratorio alla fabbrica che stampa 3D e fotonica potrebbero trovare alcune delle applicazioni più concrete.
