Programmeerbare fotonische geïntegreerde schakelingen (PPIC's) verwerken lichtgolven voor berekeningen, detectie en signalering op manieren die kunnen worden geprogrammeerd om aan uiteenlopende eisen te voldoen. Onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (DGIST) in Zuid-Korea, met medewerkers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), hebben een grote vooruitgang geboekt bij het integreren van micro-elektromechanische systemen in PPIC's.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics .

"Programmeerbare fotonische processors beloven beter te presteren dan conventionele supercomputers en bieden snellere, efficiëntere en massaal parallelle rekenmogelijkheden", zegt Sangyoon Han van het DGIST-team. Hij benadrukt dat, naast de hogere snelheden die worden bereikt door het gebruik van licht in plaats van elektrische stroom, de aanzienlijke vermindering van het energieverbruik en de omvang van PPIC's zou kunnen leiden tot grote vooruitgang op het gebied van kunstmatige intelligentie, neurale netwerken, kwantumcomputers en communicatie.

De micro-elektromechanische systemen (MEMS) die de kern vormen van de nieuwe vooruitgang zijn kleine componenten die optische, elektronische en mechanische veranderingen onderling kunnen omzetten om de verscheidenheid aan communicatie- en mechanische functies uit te voeren die nodig zijn voor een geïntegreerd circuit.

De onderzoekers denken dat zij de eersten zijn die op silicium gebaseerde fotonische MEMS-technologieën integreren in PPIC-chips die met extreem lage stroomvereisten werken.

"Onze innovatie heeft het energieverbruik dramatisch teruggebracht tot femtowatt-niveaus, wat meer dan een miljoen keer een verbetering is vergeleken met de vorige stand van de techniek", zegt Han. De technologie kan ook worden gebouwd op chips die tot vijf keer kleiner zijn dan bestaande opties.

Eén sleutel tot de dramatische vermindering van de energiebehoefte was het afstappen van de afhankelijkheid van temperatuurveranderingen die vereist zijn door de dominante "thermo-optische" systemen die momenteel in gebruik zijn. De vereiste kleine mechanische bewegingen worden aangedreven door elektrostatische krachten:de aantrekking en afstoting tussen fluctuerende elektrische ladingen.

De componenten die op de chips van het team zijn geïntegreerd, kunnen een kenmerk van lichtgolven manipuleren dat 'fase' wordt genoemd en de koppeling controleren tussen verschillende parallelle golfgeleiders, die het licht geleiden en beperken. Dit zijn de twee meest fundamentele vereisten voor het bouwen van PPIC's. Deze functies werken samen met micromechanische "actuators" (in wezen schakelaars) om het programmeerbare geïntegreerde circuit te voltooien.

De sleutel tot de vooruitgang was het toepassen van innovatieve concepten op de fabricage van de benodigde op silicium gebaseerde onderdelen. Cruciaal is dat het productieproces kan worden gebruikt met conventionele siliciumwafeltechnologie. Dit maakt het compatibel met de grootschalige productie van fotonische chips die essentieel zijn voor commerciële toepassingen.

Het team is nu van plan hun technologie te verfijnen om een ​​fotonische computer te bouwen en op de markt te brengen die beter presteert dan conventionele elektronische computers in een breed scala aan toepassingen. Han zegt dat voorbeelden van specifieke toepassingen de cruciale gevolgtrekkingstaken op het gebied van kunstmatige intelligentie, geavanceerde beeldverwerking en gegevensoverdracht met hoge bandbreedte omvatten.

"We verwachten de grenzen van de computationele technologie te blijven verleggen en zo een verdere bijdrage te leveren aan het veld van de fotonica en de praktische toepassingen ervan in de moderne technologie", besluit Han.

Meer informatie: Dong Uk Kim et al, Programmeerbare fotonische arrays gebaseerd op micro-elektromechanische elementen met standby-stroomverbruik op femtowatt-niveau, Natuurfotonica (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5

Aangeboden door Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (DGIST)