Naukowcy z Instytutu Maksa Plancka do spraw Nauki o Świetle oraz Uniwersytetu Harvarda opracowali trzy funkcjonalne elementy fotonicznych mikrochipów. Dzięki wykorzystaniu algorytmu odwrotnego projektowania ich konstrukcje są od 50 do 500 razy mniejsze od porównywalnych, konwencjonalnych rozwiązań. Zespół zaprojektował, wytworzył i przetestował rozdzielacze długości fali, sortery modów przestrzennych oraz miniaturowe lustra. Elementy wykonano na platformie z grubego azotku krzemu, materiału charakteryzującego się niskimi stratami optycznymi. Wyniki opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Układy fotoniczne przetwarzają informacje za pomocą światła prowadzonego przez umieszczone na chipie falowody. Ich szerokość może wynosić zaledwie kilka mikrometrów, podczas gdy cały układ ma zwykle kilka milimetrów. Takie rozwiązania są wykorzystywane jako elementy nowoczesnych systemów telekomunikacyjnych, centrów danych związanych ze sztuczną inteligencją, urządzeń do precyzyjnych pomiarów oraz technologii kwantowych. Fotoniczne mikrochipy mogą działać z bardzo dużymi szybkościami, a ich miniaturyzacja ułatwia umieszczanie większej liczby funkcji na ograniczonej powierzchni.
Na fotonicznym chipie światło musi być kierowane, rozdzielane, filtrowane i czasem czasowo przechowywane. Do realizacji tych zadań stosuje się między innymi sprzęgacze kratowe, które łączą światłowód z układem, oraz rezonatory pierścieniowe, czyli małe struktury kołowe zwiększające natężenie światła wewnątrz chipa. Dotychczas inżynierowie często projektowali takie komponenty ręcznie. Wybierali znaną geometrię, a następnie zmieniali jej parametry, aż uzyskali oczekiwane działanie. Taki proces może być czasochłonny i ograniczać liczbę sprawdzanych wariantów.
Słownik artykułu
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
Proces modyfikowania gry lub jej elementów w celu poprawy wydajności, stabilności albo wykorzystania zasobów przy zachowaniu wymaganej jakości.
Metoda projektowania, w której najpierw określa się wymagany efekt działania elementu, a następnie obliczeniowo poszukuje geometrii najlepiej spełniającej te wymagania.
Struktura prowadząca fale, w tym światło, w określonym kierunku. W układach fotonicznych falowody są wykonywane na chipie i służą do przesyłania sygnałów optycznych.
Sposób rozkładu pola świetlnego w przekroju falowodu lub innej struktury optycznej. Różne tryby mogą służyć do przenoszenia odrębnych kanałów informacji.
Obszar ograniczony elementami odbijającymi światło, w którym światło może wielokrotnie krążyć lub odbijać się. Zwiększa to czas jego oddziaływania z materiałem i natężenie pola optycznego.
Zestaw wielu równomiernie rozmieszczonych częstotliwości lub odpowiadających im kolorów światła. Jest używany między innymi w precyzyjnych pomiarach i telekomunikacji.
W badaniu zastosowano odwrotne projektowanie. W klasycznym podejściu projektant zaczyna od kształtu elementu i przewiduje, jak wpłynie on na zachowanie światła. W podejściu odwrotnym najpierw określa się pożądany efekt, na przykład rozdzielenie konkretnych długości fali albo odbicie wybranego trybu przestrzennego. Następnie algorytm przeszukuje dużą przestrzeń możliwych nanostruktur i wybiera geometrię, która najlepiej spełnia założone wymagania. Wynik może przypominać nieregularny układ otworów i wypukłości, którego człowiek prawdopodobnie nie zaprojektowałby intuicyjnie.
Zespół zastosował algorytm do trzech różnych zadań na tej samej platformie materiałowej. Najmniejszy z opracowanych rozdzielaczy długości fali mieści się w kwadracie o boku pięciu mikrometrów. Zajmuje od 50 do 300 razy mniej miejsca niż rozdzielacze wykorzystujące konwencjonalne sprzęgacze kierunkowe. Sortery modów przestrzennych mają powierzchnię około 500 razy mniejszą od stosowanych wcześniej konstrukcji. Oznacza to, że nie chodzi wyłącznie o zmniejszenie pojedynczego elementu, lecz także o możliwość gęstszego rozmieszczenia różnych funkcji na jednym układzie.
Pierwszą klasę urządzeń stanowią rozdzielacze długości fali. Ich zadaniem jest rozdzielanie kolorów światła, czyli fal o różnych długościach, na osobne kanały. Taka funkcja jest potrzebna między innymi w układach, które przesyłają lub analizują wiele sygnałów optycznych jednocześnie. Drugą klasą są sortery modów. Tryb przestrzenny opisuje sposób, w jaki pole świetlne jest rozłożone w przekroju falowodu. Sortowanie takich trybów pozwala prowadzić różne kanały informacji w obrębie tego samego układu optycznego.
Trzecim rozwiązaniem są miniaturowe lustra o średnicy kilku mikrometrów. W testach odbijały do 98,5 procent padającego światła, jednocześnie blokując inne tryby przestrzenne. Umieszczone parami, tworzą wnęki optyczne na chipie. Światło może w nich odbijać się ponad 100 razy, zanim opuści wnękę. Takie struktury są przydatne wtedy, gdy konieczne jest zwiększenie czasu oddziaływania światła z materiałem albo uzyskanie wysokiego natężenia pola optycznego na małej powierzchni.
Sama optymalizacja komputerowa nie wystarcza, jeśli zaprojektowane struktury są zbyt trudne do wykonania. Dlatego badacze uwzględnili w algorytmie minimalne rozmiary cech konstrukcyjnych oraz odporność na zmiany, które mogą pojawić się podczas produkcji. Dzięki temu otrzymane wzory nie były jedynie teoretycznymi rozwiązaniami, lecz można je było wytworzyć i przetestować. Według zespołu takie podejście zwiększa zgodność projektów z komercyjnym procesem produkcji foundry. Nie oznacza to jeszcze wdrożenia do masowej produkcji, ale wskazuje, że algorytm może brać pod uwagę realne ograniczenia technologiczne już na etapie projektowania.
Wybór grubego azotku krzemu ma znaczenie dla dalszego rozwoju układów fotonicznych. Materiał ten jest wykorzystywany w wysokowydajnej fotonice zintegrowanej i może umożliwiać wytwarzanie czystego światła laserowego o wielu różnych kolorach. Wcześniejsze prace nad podobnymi elementami koncentrowały się głównie na krzemie, a także na diamencie, węgliku krzemu i niobianie litu. Badacze wskazują, że w przypadku grubego azotku krzemu biblioteka komponentów była dotąd bardziej ograniczona, ponieważ opierała się przede wszystkim na konstrukcjach opracowywanych ręcznie.
Kolejnym planowanym etapem jest połączenie opracowanych elementów z nieliniowymi układami optycznymi. W takich układach intensywne światło krążące na chipie może generować grzebienie częstotliwości optycznych. Są to precyzyjne zestawy wielu równomiernie rozmieszczonych kolorów światła. Znajdują zastosowanie w pomiarach precyzyjnych, telekomunikacji i technologiach kwantowych. Źródło opisuje to jako następny kierunek prac, a nie rezultat obecnego badania. Obecne wyniki dotyczą przede wszystkim miniaturyzacji i testów trzech klas elementów wykonanych z azotku krzemu.
Praca zespołów z Instytutu Maksa Plancka do spraw Nauki o Świetle i Uniwersytetu Harvarda pokazuje, że odwrotne projektowanie może służyć nie tylko do tworzenia pojedynczych demonstratorów. Włączenie wymagań produkcyjnych do algorytmu pozwoliło połączyć małe rozmiary z możliwością wykonania struktur w rzeczywistym procesie technologicznym. Ostateczne znaczenie tych rozwiązań będzie zależeć od ich integracji z bardziej złożonymi obwodami oraz od dalszych testów. Na obecnym etapie badanie dostarcza przede wszystkim nowych, sprawdzonych elementów dla zintegrowanej fotoniki.
Brak komentarzy. Bądź pierwszy!
