1126
Дослідники використали алгоритм штучного інтелекту, щоб зменшити одразу три ключові компоненти фотонних мікрочипів — подільники довжин хвиль, сортувальники просторових мод і дзеркала. У деяких випадках нові структури виявилися до 500 разів компактнішими за традиційні аналоги, а їхня форма настільки незвична, що її важко було б запропонувати звичайним інженерним методом.
Фотонні чипи відрізняються від звичайних електронних тим, що передають і обробляють інформацію не електронами, а фотонами. Це дозволяє працювати з дуже великими потоками даних, зменшувати втрати енергії у вигляді тепла і передавати кілька інформаційних каналів одночасно на різних довжинах хвиль.
На таких чипах світло рухається мікроскопічними каналами — хвилеводами. Щоб керувати сигналами, потрібні додаткові елементи: одні розділяють світло за довжиною хвилі, інші сортують різні просторові режими, а дзеркала формують оптичні резонатори.
Звичайно ці компоненти проектують на основі добре відомих геометрій, а потім поступово оптимізують. Такий процес займає багато часу й обмежує кількість форм, які інженери взагалі розглядають. У новій роботі застосували так зване інверсне проектування.
Алгоритму задавали потрібну поведінку світла і виробничі обмеження, після чого система сама підбирала геометрію. Фактично розрахунок ішов у зворотному напрямку: від бажаного результату до структури, яка має цей результат забезпечити.
Команда виготовила компоненти із відносно товстого нітриду кремнію. Товщина становила приблизно 400–800 нанометрів. Такий матеріал краще утримує світло в хвилеводах і допомагає зменшувати оптичні втрати.
Створені дзеркала мали довжину близько 11 мікрометрів і відбивали до 98,5% вхідного світла, водночас пригнічуючи небажані моди. Якщо встановити два такі дзеркала по обидва боки хвилеводу, світло могло відбитися між ними понад сто разів до виходу з резонатора.
Подільник довжин хвиль вдалося зробити приблизно п’ять мікрометрів завширшки — це співмірно з розміром окремої бактерії. Сортувальник просторових мод був лише трохи більшим. Саме така мініатюризація звільняє на чипі площу для інших функціональних елементів.
Поки всі три компоненти продемонстрували окремо. Їх ще не об’єднали в повністю інтегровану фотонну схему, тому наступним кроком буде перевірка роботи вже в комплексному пристрої. Дослідження показує, що алгоритмічне проектування може розширювати межі мініатюризації без необхідності вручну перебирати величезну кількість можливих геометрій.
