Первый в мире самокалибрующийся фотонный чип
Исследования, проведенные Монашем и университетами RMIT в Мельбурне, нашли способ создать передовую фотонную интегральную схему, которая строит мосты между супермагистралями данных, революционизируя возможности подключения существующих оптических чипов и заменяя громоздкую 3D-оптику тонким пластинчатым слоем кремния.
Концептуальная схема самокалибрующегося интегрированного широкополосного PIC. Авторы и права: Xingyuan Xu и др., Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01020-z
Эта разработка, опубликованная в журнале Nature Photonics, способна ускорить глобальное развитие искусственного интеллекта и предлагает важные приложения в реальном мире, такие как:
- Более безопасные беспилотные автомобили, способные мгновенно интерпретировать свое окружение
- Предоставление ИИ возможности более быстрой диагностики заболеваний
- Ускорение обработки естественного языка для таких приложений, как Google Homes, Alexa и Siri.
- Коммутаторы меньшего размера для реконфигурации оптических сетей, по которым проходит наш Интернет, чтобы быстрее получать данные там, где они необходимы.
Будь то включение телевизора или удержание спутника на курсе, фотоника (наука о свете) меняет наш образ жизни. Фотонные чипы могут преобразовать вычислительные возможности громоздких настольных утилит в чипы размером с ноготь.
д-р Майк Сюй с факультета инженерии электрических и компьютерных систем Университета Монаш, а теперь из Пекинского университета почты и телекоммуникаций, профессор Артур Лоури с факультета инженерии электрических и компьютерных систем Университета Монаш и доктор Энди Боес, который проводил это исследование во время учебы в РМИТ.
Профессор Арнан Митчелл и доктор Гуангуи Рен разработали чип так, чтобы он был готов к экспериментальной демонстрации.
Ведущий исследователь проекта, профессор Артур Лоури, лауреат премии ARC Университета Монаша, говорит, что этот прорыв дополняет предыдущее открытие доктора Билла Коркорана из Университета Монаша, который в сотрудничестве с RMIT в 2020 году разработал новый чип оптической микрогребенки, который может в три раза сократить трафик всего NBN по одному оптическому волокну, что считается самой быстрой в мире скоростью интернета с одного чипа размером с ноготь.
Оптический микрочип построил несколько полос супермагистрали; теперь самокалибрующийся чип создал рампы и мосты включения и выключения, которые соединяют их все и обеспечивают большее перемещение данных.
«Мы продемонстрировали самокалибрующийся чип программируемого фотонного фильтра с ядром обработки сигналов и встроенным эталонным трактом для самокалибровки », — объясняет профессор Лоури.
«Самокалибровка важна, потому что она делает настраиваемые фотонные интегральные схемы полезными в реальном мире; приложения включают системы оптической связи, которые переключают сигналы на места назначения в зависимости от их цвета, очень быстрые вычисления подобия (корреляторы), научные инструменты для химического или биологического анализа и астрономии.
«Электроника добилась аналогичных улучшений в стабильности радиофильтров с использованием цифровых технологий, что привело к тому, что многие мобильные телефоны смогли совместно использовать один и тот же участок спектра; наши оптические чипы имеют аналогичную архитектуру, но могут работать с сигналами с терагерцовой полосой пропускания».
Этот прорыв длился три года
Новые интернет-технологии, такие как беспилотные автомобили, дистанционно управляемое майнинговое и медицинское оборудование, в будущем потребуют еще более быстрой и увеличенной пропускной способности. Увеличение пропускной способности связано не только с улучшением оптических волокон, по которым проходит наш Интернет, но и с предоставлением компактных коммутаторов многих цветов, работающих во многих направлениях, чтобы данные можно было отправлять по многим каналам одновременно.
«Это исследование является большим прорывом — наша фотонная технология сейчас достаточно развита, чтобы действительно сложные системы могли быть интегрированы в один чип. — это технологический прорыв, который позволит нам решить проблемы узких мест в Интернете путем быстрой перенастройки оптических сетей, по которым проходит наш Интернет, чтобы получать данные там, где они нужны больше всего», — говорит профессор Арнан Митчелл из InPAC.
Фотонные схемы способны манипулировать оптическими каналами информации и направлять их, но они также могут обеспечивать некоторые вычислительные возможности, например, поиск шаблонов. Поиск шаблонов имеет основополагающее значение для многих приложений: медицинской диагностики, автономных транспортных средств, интернет-безопасности, выявления угроз и алгоритмов поиска.
Быстрое и надежное перепрограммирование чипов позволяет быстро и точно программировать новые поисковые задачи. Однако это производство должно быть точным до крошечной длины волны света (нанометров), что в настоящее время сложно и чрезвычайно дорого — самокалибровка решает эту проблему.
Ключевой задачей исследования была интеграция всех оптических функций в устройство, которое можно было бы «подключить» к существующей инфраструктуре.
«Наше решение состоит в том, чтобы откалибровать чипы после изготовления, чтобы настроить их на практике, используя встроенный эталон, а не с помощью внешнего оборудования», — говорит профессор Лоури, лауреат премии ARC. «Мы используем красоту причинно-следственной связи, следствие следует за причиной, что диктует, что оптические задержки путей через чип могут быть однозначно выведены из зависимости интенсивности от длины волны, которую гораздо легче измерить, чем точные временные задержки эталонный путь к нашему чипу и откалибровал его. Это дает нам все настройки, необходимые для «дозвона», и желаемую функцию переключения или спектральную характеристику».
Этот метод является важным шагом на пути к тому, чтобы сделать фотонные чипы практически полезными. Вместо того, чтобы искать настройку, как при настройке старого радиоприемника, исследователи могли настроить чип за один шаг, что позволило бы быстро и надежно переключать потоки данных с одного места назначения на другое.
Надежная настройка фотонных чипов открывает множество других приложений, таких как оптические корреляторы, которые могут почти мгновенно находить шаблоны данных в потоках данных, таких как изображения — над чем группа также работала.
«По мере того, как мы интегрируем все больше и больше элементов настольного оборудования в чипы размером с ноготь, становится все труднее заставить их работать вместе для достижения скорости и функциональности, которые они имели, когда они были больше. Мы преодолели эту проблему, создав чип, который был достаточно умен, чтобы откалибровать себя, чтобы все компоненты могли работать с нужной скоростью в унисон», — говорит доктор Энди Боес из Университета Аделаиды.
