Onderzoek onder leiding van Monash en RMIT Universities in Melbourne heeft een manier gevonden om een ​​geavanceerd fotonisch geïntegreerd circuit te creëren dat bruggen bouwt tussen datasnelwegen, een revolutie teweegbrengt in de connectiviteit van huidige optische chips en omvangrijke 3D-optica vervangt door een flinterdun plakje silicium.

Deze ontwikkeling, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics , heeft het vermogen om de wereldwijde vooruitgang van kunstmatige intelligentie te versnellen en biedt belangrijke toepassingen in de echte wereld, zoals:

• Veiligere auto's zonder bestuurder die hun omgeving onmiddellijk kunnen interpreteren
• AI inschakelen om sneller medische aandoeningen te diagnosticeren
• Verwerking van natuurlijke taal nog sneller maken voor apps zoals Google Homes, Alexa en Siri
• Kleinere switches voor het opnieuw configureren van optische netwerken die ons internet vervoeren om data sneller te krijgen waar het nodig is

Of het nu gaat om het aanzetten van een tv of het op koers houden van een satelliet, fotonica (de wetenschap van licht) verandert de manier waarop we leven. De fotonische chips kunnen de verwerkingscapaciteit van omvangrijke hulpprogramma's ter grootte van een bank omzetten in chips ter grootte van een vingernagel.

Dr. Mike Xu van de afdeling Electrical and Computer Systems Engineering van Monash University en nu aan de Beijing University of Posts and Telecommunications, professor Arthur Lowery van de afdeling Electrical and Computer Systems Engineering van Monash University, en Dr. Andy Boes, die dit onderzoek uitvoerde tijdens zijn RMIT.

Professor Arnan Mitchell en Dr. Guanghui Ren ontwikkelden de chip zodat deze klaar was voor de experimentele demonstratie.

De hoofdonderzoeker van het project, Monash University ARC Laureate Fellow Professor Arthur Lowery, zegt dat deze doorbraak een aanvulling vormt op de eerdere ontdekking van Dr. Bill Corcoran van Monash University, die in samenwerking met RMIT in 2020 een nieuwe optische microkamchip ontwikkelde die drie keer zoveel verkeer kan uitpersen van het hele NBN via een enkele optische vezel, die wordt beschouwd als 's werelds snelste internetsnelheid met een enkele chip ter grootte van een vingernagel.

De optische microkamchip bouwde meerdere rijstroken van de snelweg; nu heeft de zelfkalibrerende chip de op- en afritten en bruggen gecreëerd die ze allemaal met elkaar verbinden en een grotere verplaatsing van gegevens mogelijk maken.

"We hebben een zelfkalibrerende programmeerbare fotonische filterchip gedemonstreerd, met een signaalverwerkingskern en een geïntegreerd referentiepad voor zelfkalibratie", legt professor Lowery uit.

"Zelfkalibratie is belangrijk omdat het afstembare fotonische geïntegreerde schakelingen nuttig maakt in de echte wereld; toepassingen omvatten optische communicatiesystemen die signalen naar bestemmingen schakelen op basis van hun kleur, zeer snelle berekeningen van gelijkenis (correlatoren), wetenschappelijke instrumenten voor chemische of biologische analyse , en zelfs astronomie.

"Elektronica zag vergelijkbare verbeteringen in de stabiliteit van radiofilters met behulp van digitale technieken, waardoor veel mobiele telefoons hetzelfde stuk spectrum konden delen; onze optische chips hebben vergelijkbare architecturen, maar kunnen werken op signalen met terahertz-bandbreedtes."

Aan deze doorbraak is drie jaar gewerkt.

Nieuwe internetafhankelijke technologieën zoals zelfrijdende auto's, op afstand bestuurbare mijnbouw en medische apparatuur zullen in de toekomst nog snellere en grotere bandbreedte vereisen. Bandbreedtetoename gaat niet alleen over het verbeteren van de optische vezels waar ons internet doorheen reist, het gaat om het bieden van compacte schakelaars van vele kleuren, die vele kanten opgaan, zodat gegevens tegelijkertijd langs vele kanalen kunnen worden verzonden.

"Dit onderzoek is een grote doorbraak - onze fotonische technologie is nu voldoende geavanceerd zodat echt complexe systemen op een enkele chip kunnen worden geïntegreerd. Het idee dat een apparaat een on-chip referentiesysteem kan hebben waarmee alle componenten als één geheel kunnen werken is een technologische doorbraak die ons in staat zal stellen om knelpunten op het internet aan te pakken door de optische netwerken die ons internet vervoeren snel opnieuw te configureren om gegevens te krijgen waar dat het meest nodig is", zegt professor Arnan Mitchell van InPAC.

Fotonische circuits zijn in staat om optische informatiekanalen te manipuleren en te routeren, maar ze kunnen ook enige rekenkracht bieden, bijvoorbeeld bij het zoeken naar patronen. Het zoeken naar patronen is van fundamenteel belang voor veel toepassingen:medische diagnose, autonome voertuigen, internetbeveiliging, identificatie van bedreigingen en zoekalgoritmen.

Door de snelle en betrouwbare herprogrammering van de chips kunnen nieuwe zoektaken snel en nauwkeurig worden geprogrammeerd. Deze fabricage moet echter nauwkeurig zijn tot op de graad van een kleine golflengte van licht (nanometer), wat momenteel moeilijk en extreem duur is - zelfkalibratie lost dit probleem op.

Een belangrijke uitdaging van het onderzoek was het integreren van alle optische functies in een apparaat dat kon worden "aangesloten" op bestaande infrastructuur.

"Onze oplossing is om de chips na productie te kalibreren, om ze effectief af te stemmen door een referentie op de chip te gebruiken, in plaats van door externe apparatuur te gebruiken", zegt professor Lowery, een ARC Laureate Fellow. "We gebruiken de schoonheid van causaliteit, effect na oorzaak, wat dicteert dat de optische vertragingen van de paden door de chip op unieke wijze kunnen worden afgeleid uit de intensiteit versus golflengte, wat veel gemakkelijker te meten is dan precieze tijdvertragingen. We hebben een sterke referentiepad naar onze chip en gekalibreerd. Dit geeft ons alle instellingen die nodig zijn om 'in te bellen' en de gewenste schakelfunctie of spectrale respons."

De methode is een cruciale stap om fotonische chips praktisch bruikbaar te maken. In plaats van te zoeken naar een instelling, vergelijkbaar met het afstemmen van een oude radio, konden de onderzoekers de chip in één stap afstemmen, waardoor gegevensstromen snel en betrouwbaar van de ene bestemming naar de andere kunnen worden geschakeld.

Betrouwbare afstemming van fotonische chips opent vele andere toepassingen, zoals optische correlatoren, die bijna onmiddellijk gegevenspatronen in gegevensstromen, zoals afbeeldingen, kunnen vinden - iets waar de groep ook aan heeft gewerkt.

"Naarmate we steeds meer apparaten ter grootte van een bankje integreren in chips ter grootte van een vingernagel, wordt het steeds moeilijker om ze allemaal samen te laten werken om de snelheid en functie te bereiken die ze deden toen ze groter waren. We zijn deze uitdaging aangegaan door het creëren van een chip die slim genoeg was om zichzelf te kalibreren, zodat alle componenten tegelijk konden werken met de snelheid die ze nodig hadden", zegt Dr. Andy Boes van de Universiteit van Adelaide. + Verder verkennen

Vormgeven van radiosignalen met licht