Forskning ledd av Monash och RMIT universitet i Melbourne har hittat ett sätt att skapa en avancerad fotonisk integrerad krets som bygger broar mellan datamotorvägar, revolutionerar anslutningsmöjligheterna för nuvarande optiska chips och ersätter skrymmande 3D-optik med en tunn skiva av kisel.

Denna utveckling, publicerad i tidskriften Nature Photonics , har förmågan att förvränga den globala utvecklingen av artificiell intelligens och erbjuder betydande verkliga tillämpningar som:

• Säkrare förarlösa bilar som omedelbart kan tolka sin omgivning
• Möjliggör AI för att snabbare diagnostisera medicinska tillstånd
• Gör bearbetning av naturligt språk ännu snabbare för appar som Google Homes, Alexa och Siri
• Mindre switchar för att omkonfigurera optiska nätverk som bär vårt internet för att snabbare få data där det behövs

Oavsett om det handlar om att slå på en TV eller att hålla en satellit på kurs, förändrar fotonik (vetenskapen om ljus) vårt sätt att leva. De fotoniska chipsen kan omvandla bearbetningsförmågan hos skrymmande verktyg i bänkstorlek till chips i fingernagelstorlek.

Dr. Mike Xu från Monash Universitys avdelning för el- och datorsystemteknik och nu vid Beijing University of Post and Telecommunications, professor Arthur Lowery från Monash Universitys avdelning för el- och datorsystemteknik och Dr. Andy Boes, som utförde denna forskning medan han var på RMIT.

Professor Arnan Mitchell och Dr Guanghui Ren konstruerade chippet så att det var redo för den experimentella demonstrationen.

Projektets ledande utredare, Monash University ARC Laureate Fellow Professor Arthur Lowery, säger att detta genombrott kompletterar den tidigare upptäckten av Monash Universitys Dr. Bill Corcoran, som i samarbete med RMIT 2020 utvecklade ett nytt optiskt mikrokamchip som kan pressa tre gånger så mycket trafik av hela NBN genom en enda optisk fiber, betraktad som världens snabbaste internethastighet från ett enda fingernagel-chip.

Det optiska mikrokamchipet byggde flera körfält på motorvägen; nu har det självkalibrerande chippet skapat till- och frånramperna och bryggorna som förbinder dem alla och tillåter större rörelse av data.

"Vi har demonstrerat ett självkalibrerande programmerbart fotoniskt filterchip, med en signalbehandlingskärna och en integrerad referensbana för självkalibrering", förklarar professor Lowery.

"Självkalibrering är viktig eftersom den gör avstämbara fotoniska integrerade kretsar användbara i den verkliga världen; applikationer inkluderar optiska kommunikationssystem som växlar signaler till destinationer baserat på deras färg, mycket snabba beräkningar av likhet (korrelatorer), vetenskaplig instrumentering för kemisk eller biologisk analys , och till och med astronomi.

"Elektronik såg liknande förbättringar i stabiliteten hos radiofilter med digital teknik, vilket ledde till att många mobiler kunde dela samma spektrum av spektrum; våra optiska chips har liknande arkitekturer, men kan arbeta på signaler med terahertz-bandbredder."

Detta genombrott har varit tre år på väg.

Ny internetbaserad teknik som självkörande bilar, fjärrstyrd gruvdrift och medicinsk utrustning kommer att kräva ännu snabbare och ökad bandbredd i framtiden. Bandbreddsökning handlar inte bara om att förbättra de optiska fibrerna som vårt internet färdas genom, det handlar om att tillhandahålla kompakta switchar i många färger, som går i många riktningar, så att data kan skickas ner i många kanaler samtidigt.

"Denna forskning är ett stort genombrott – vår fotoniska teknik är nu tillräckligt avancerad så att verkligt komplexa system kan integreras på ett enda chip. Idén att en enhet kan ha ett referenssystem på kretsen som gör att alla dess komponenter kan fungera som en enhet. är ett tekniskt genombrott som gör det möjligt för oss att ta itu med internetproblem med flaskhalsar genom att snabbt konfigurera om de optiska nätverk som bär vårt internet för att få data där det behövs som mest", säger professor Arnan Mitchell från InPAC.

Fotoniska kretsar kan manipulera och dirigera optiska informationskanaler, men de kan också ge viss beräkningsförmåga, till exempel att söka efter mönster. Mönstersökning är grundläggande för många applikationer:medicinsk diagnos, autonoma fordon, internetsäkerhet, hotidentifiering och sökalgoritmer.

Snabb och pålitlig omprogrammering av chipsen gör att nya sökuppgifter kan programmeras snabbt och exakt. Denna tillverkning måste dock vara exakt till graden av en liten våglängd av ljus (nanometer), vilket för närvarande är svårt och extremt dyrt – självkalibrering övervinner detta problem.

En viktig utmaning för forskningen var att integrera alla optiska funktioner på en enhet som kunde "anslutas" till befintlig infrastruktur.

"Vår lösning är att kalibrera chipsen efter tillverkning, att justera dem i praktiken genom att använda en referens på chipet, snarare än genom att använda extern utrustning", säger professor Lowery, en ARC-pristagare. "Vi använder skönheten i kausalitet, effekt som följer orsak, som dikterar att de optiska fördröjningarna av vägarna genom chippet kan härledas unikt från intensiteten kontra våglängden, vilket är mycket lättare att mäta än exakta tidsfördröjningar. Vi har lagt till en stark referenssökväg till vårt chip och kalibrerade det. Detta ger oss alla inställningar som krävs för att "ringa upp" och önskad omkopplingsfunktion eller spektralrespons."

Metoden är ett kritiskt steg för att göra fotoniska chips praktiskt användbara. Istället för att söka efter en inställning, liknande att ställa in en gammal radio, kunde forskarna ställa in chippet i ett steg, vilket möjliggör snabb och pålitlig växling av dataströmmar från en destination till en annan.

Pålitlig inställning av fotonchip öppnar upp för många andra applikationer, såsom optiska korrelatorer, som nästan omedelbart kan hitta mönster av data i dataströmmar, såsom bilder – något som gruppen också har arbetat med.

"När vi integrerar fler och fler delar av bänkstor utrustning på nagelstora chips, blir det svårare och svårare att få dem alla att arbeta tillsammans för att uppnå den hastighet och funktion de gjorde när de var större. Vi övervann denna utmaning genom att skapa ett chip som var smart nog att kalibrera sig själv så att alla komponenter kunde agera i den hastighet de behövde i samklang, säger Dr. Andy Boes från University of Adelaide. + Utforska vidare

Forma radiosignaler med ljus