В отличие от обычных микросхем, которые используют для передачи и обработки информации электроны, фотонные чипы работают с частицами света — фотонами. Они способны обрабатывать и передавать данные значительно быстрее электронных аналогов, поскольку фотоны переносят информацию со скоростью света. Кроме того, такие чипы теряют меньше энергии в виде тепла и обеспечивают более высокую пропускную способность, так как разные длины волн могут нести отдельные потоки данных. Благодаря этим преимуществам фотонные микросхемы применяются там, где критична быстрая высокопропускная передача данных: в оптоволоконных коммуникациях, дата-центрах, системах искусственного интеллекта, лидарах для автономных транспортных средств и квантовых вычислениях.
Свет по фотонному чипу направляют каналы шириной в микрометры — так называемые волноводы. Чипы также содержат разделители длин волн, сортировщики пространственных мод и зеркала — все они необходимы для разделения и направления различных длин волн и световых паттернов в пределах площади, составляющей долю ширины человеческого волоса.
Ученые начали с того, что сообщили алгоритму точные требования к тому, что компоненты должны делать со светом, и предоставили определенные производственные ограничения, например, пределы изгиба наноструктур. Затем алгоритм ИИ работал в обратном направлении, тестируя и совершенствуя различные конструкции, пока не нашел тонкие наноструктуры, которые позволяли достичь желаемого результата.
«Обратное проектирование позволяет нам определить, что мы хотим, чтобы свет делал, а оптимизация помогла найти структуру, которая это делает. И она оказалась такой, которую не нарисовал бы ни один человек», — говорит первый автор исследования, сотрудник Института науки о свете Общества Макса Планка Тоби Би. Оказалось, что одна и та же система может выполнять на одном чипе три совершенно разные задачи: маршрутизировать свет по длине волны, сортировать по пространственной моде и действовать как компактные зеркала, формирующие оптические резонаторы на чипе".
Команда также создала компоненты из относительно толстого нитрида кремния — примерно от 400 до 800 нанометров против стандартных 150−400 нанометров, что позволило уменьшить потери света и обеспечило лучшее удержание длины волны. Полученные зеркала длиной около 11 микрометров отражают до 98,5% входящего света, блокируя нежелательные световые паттерны. Разделитель длин волн имеет размер примерно с одну бактерию — около 5 микрометров.
Освободившееся пространство на чипе позволит инженерам разместить больше компонентов. Авторы отмечают, что такие чипы могут стать основой для масштабируемых, высокопроизводительных фотонных систем на основе нитрида кремния — материала, который все активнее используют в современной интегральной фотонике.
Ранее ученые нашли способ внедрить оптоволоконные технологии в кремниевые чипы.