Verdens første selvkalibrerede fotoniske chip:En udveksling for optiske datamotorveje

Forskning ledet af Monash og RMIT Universiteter i Melbourne har fundet en måde at skabe et avanceret fotonisk integreret kredsløb, der bygger broer mellem data-supermotorveje, revolutionerer forbindelsen mellem nuværende optiske chips og erstatter omfangsrig 3D-optik med en tynd skive silicium.

Denne udvikling, offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics , har evnen til at fordreje den globale udvikling af kunstig intelligens og tilbyder betydelige applikationer fra den virkelige verden såsom:

• Sikkere førerløse biler, der er i stand til øjeblikkeligt at fortolke deres omgivelser
• Gør AI i stand til hurtigere at diagnosticere medicinske tilstande
• Gør naturlig sprogbehandling endnu hurtigere for apps som Google Homes, Alexa og Siri
• Mindre switches til at omkonfigurere optiske netværk, der bærer vores internet, for hurtigere at få data, hvor det er nødvendigt

Uanset om det drejer sig om at tænde et tv eller holde en satellit på kurs, er fotonik (videnskaben om lys) ved at transformere den måde, vi lever på. De fotoniske chips kan omdanne behandlingsevnen for voluminøse hjælpeprogrammer i bænkstørrelse til chips i fingerneglestørrelse.

Dr. Mike Xu fra Monash University's Department of Electrical and Computer Systems Engineering og nu ved Beijing University of Post and Telecommunications, professor Arthur Lowery fra Monash University's Department of Electrical and Computer Systems Engineering og Dr. Andy Boes, som udførte denne forskning, mens han var på RMIT.

Professor Arnan Mitchell og Dr. Guanghui Ren konstruerede chippen, så den var klar til den eksperimentelle demonstration.

Projektets ledende efterforsker, Monash University ARC Laureate Fellow Professor Arthur Lowery, siger, at dette gennembrud supplerer den tidligere opdagelse af Monash Universitys Dr. Bill Corcoran, som i samarbejde med RMIT i 2020 udviklede en ny optisk mikrokam-chip, der kan presse tre gange trafikken af hele NBN gennem en enkelt optisk fiber, betragtet som verdens hurtigste internethastighed fra en enkelt chip på størrelse med en negl.

Den optiske mikrokam-chip byggede flere baner på motorvejen; nu har den selvkalibrerende chip skabt til- og fraramperne og broer, der forbinder dem alle og tillader større bevægelse af data.

"Vi har demonstreret en selvkalibrerende programmerbar fotonisk filterchip med en signalbehandlingskerne og en integreret referencesti til selvkalibrering," forklarer professor Lowery.

"Selvkalibrering er vigtig, fordi den gør afstembare fotoniske integrerede kredsløb nyttige i den virkelige verden; applikationer omfatter optiske kommunikationssystemer, der skifter signaler til destinationer baseret på deres farve, meget hurtige beregninger af lighed (korrelatorer), videnskabelig instrumentering til kemisk eller biologisk analyse og endda astronomi.

"Elektronik oplevede lignende forbedringer i stabiliteten af ​​radiofiltre ved hjælp af digitale teknikker, hvilket førte til, at mange mobiler kunne dele den samme del af spektrum; vores optiske chips har lignende arkitekturer, men kan fungere på signaler med terahertz-båndbredder."

Dette gennembrud har været tre år undervejs.

Nye internet-afhængige teknologier som selvkørende biler, fjernstyret minedrift og medicinsk udstyr vil kræve endnu hurtigere og øget båndbredde i fremtiden. Båndbreddeforøgelse handler ikke kun om at forbedre de optiske fibre, som vores internet bevæger sig igennem, det handler om at levere kompakte kontakter i mange farver, der går i mange retninger, så data kan sendes ned ad mange kanaler på én gang.

"Denne forskning er et stort gennembrud – vores fotoniske teknologi er nu tilstrækkeligt avanceret til, at virkelig komplekse systemer kan integreres på en enkelt chip. Ideen om, at en enhed kan have et on-chip referencesystem, der gør det muligt for alle dens komponenter at fungere som én enhed. er et teknologisk gennembrud, der vil give os mulighed for at løse flaskehalse internetproblemer ved hurtigt at omkonfigurere de optiske netværk, der bærer vores internet, for at få data, hvor der er mest brug for dem," siger professor Arnan Mitchell fra InPAC.

Fotoniske kredsløb er i stand til at manipulere og dirigere optiske informationskanaler, men de kan også give en vis beregningsevne, for eksempel at søge efter mønstre. Mønstersøgning er grundlæggende for mange applikationer:medicinsk diagnose, autonome køretøjer, internetsikkerhed, trusselsidentifikation og søgealgoritmer.

Hurtig og pålidelig omprogrammering af chipsene gør det muligt at programmere nye søgeopgaver hurtigt og præcist. Denne fremstilling skal dog være præcis i forhold til en lille bølgelængde af lys (nanometer), hvilket i øjeblikket er vanskeligt og ekstremt dyrt – selvkalibrering overvinder dette problem.

En vigtig udfordring ved forskningen var at integrere alle de optiske funktioner på en enhed, der kunne "tilsluttes" til eksisterende infrastruktur.

"Vores løsning er at kalibrere chipsene efter fremstilling, for at tune dem op i praksis ved at bruge en on-chip reference snarere end ved at bruge eksternt udstyr," siger professor Lowery, en ARC Laureate Fellow. "Vi bruger skønheden ved kausalitet, virkning efter årsag, som dikterer, at de optiske forsinkelser af stierne gennem chippen unikt kan udledes af intensiteten versus bølgelængden, hvilket er langt nemmere at måle end præcise tidsforsinkelser. Vi har tilføjet en stærk referencestien til vores chip og kalibrerede den. Dette giver os alle de indstillinger, der kræves for at 'opkalde' og den ønskede omskiftningsfunktion eller spektrale respons."

Metoden er et kritisk skridt for at gøre fotoniske chips praktisk anvendelige. I stedet for at søge efter en indstilling, der ligner en gammel radio, kunne forskerne tune chippen i ét trin, hvilket muliggør hurtig og pålidelig skift af datastrømme fra en destination til en anden.

Pålidelig tuning af fotoniske chips åbner op for mange andre applikationer, såsom optiske korrelatorer, som næsten øjeblikkeligt kan finde mønstre af data i datastrømme, såsom billeder - noget gruppen også har arbejdet på.

"Efterhånden som vi integrerer flere og flere stykker udstyr i bænkstørrelse på chips på størrelse med fingernegl, bliver det mere og mere vanskeligt at få dem alle til at arbejde sammen for at opnå den hastighed og funktion, de gjorde, da de var større. Vi overvandt denne udfordring ved at skabe en chip, der var klog nok til at kalibrere sig selv, så alle komponenterne kunne handle med den hastighed, de skulle i samklang," siger Dr. Andy Boes fra University of Adelaide. + Udforsk yderligere

Formning af radiosignaler ved hjælp af lys