Programmerbara fotoniska integrerade kretsar (PPIC) bearbetar ljusvågor för beräkning, avkänning och signalering på sätt som kan programmeras för att passa olika krav. Forskare vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), i Sydkorea, med samarbetspartners vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), har uppnått stora framsteg när det gäller att integrera mikroelektromekaniska system i PPIC.
Deras forskning har publicerats i tidskriften Nature Photonics .
"Programmerbara fotoniska processorer lovar att överträffa konventionella superdatorer och erbjuder snabbare, effektivare och massivt parallella beräkningsmöjligheter", säger Sangyoon Han från DGIST-teamet. Han betonar att, utöver de ökade hastigheterna som uppnås genom att använda ljus istället för elektrisk ström, kan den betydande minskningen av strömförbrukning och storlek på PPIC:er leda till stora framsteg inom artificiell intelligens, neurala nätverk, kvantberäkningar och kommunikation.
De mikroelektromekaniska systemen (MEMS) i hjärtat av det nya framsteg är små komponenter som kan interkonvertera optiska, elektroniska och mekaniska förändringar för att utföra de olika kommunikations- och mekaniska funktioner som en integrerad krets behöver.
Forskarna tror att de är de första som integrerar kiselbaserade fotoniska MEMS-tekniker på PPIC-chips som arbetar med extremt låga effektbehov.
"Vår innovation har dramatiskt minskat strömförbrukningen till femtowattnivåer, vilket är över en miljon gånger en förbättring jämfört med den tidigare teknikens ståndpunkt", säger Han. Tekniken kan också byggas på chips upp till fem gånger mindre än befintliga alternativ.
En nyckel till den dramatiska minskningen av effektbehovet var att gå bort från beroendet av temperaturförändringar som krävs av de dominerande "termo-optiska" systemen som för närvarande används. De små mekaniska rörelserna som krävs drivs av elektrostatiska krafter—attraktionerna och repulsionerna mellan fluktuerande elektriska laddningar.
Komponenterna som är integrerade på lagets chips kan manipulera en funktion av ljusvågor som kallas "fas" och styra kopplingen mellan olika parallella vågledare, som styr och begränsar ljuset. Dessa är de två mest grundläggande kraven för att bygga PPIC. Dessa funktioner interagerar med mikromekaniska "aktuatorer" (i huvudsak omkopplare) för att fullborda den programmerbara integrerade kretsen.
Nyckeln till framsteg har varit att tillämpa innovativa koncept för tillverkningen av de kiselbaserade delarna som krävs. Avgörande är att tillverkningsprocessen kan användas med konventionell silikonwafer-teknik. Detta gör den kompatibel med storskalig produktion av fotoniska chips som är nödvändiga för kommersiella tillämpningar.
Teamet planerar nu att förfina sin teknik för att bygga och kommersialisera en fotonisk dator som kommer att överträffa konventionella elektroniska datorer i en mängd olika applikationer. Han säger att exempel på specifika användningar inkluderar de avgörande slutledningsuppgifterna inom artificiell intelligens, avancerad bildbehandling och dataöverföring med hög bandbredd.
"Vi förväntar oss att fortsätta att tänja på gränserna för beräkningsteknik och bidra ytterligare till fotonikområdet och dess praktiska tillämpningar inom modern teknik", avslutar Han.
Mer information: Dong Uk Kim et al, Programmerbara fotoniska arrayer baserade på mikroelektromekaniska element med femtowatt-nivå standby-strömförbrukning, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5
Tillhandahålls av Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)
