Представлено перший у світі програмований нелінійний фотонний чип

NTT Research, підрозділ NTT, оголосив, що його Лабораторія фізики та інформатики (PHI Lab), працюючи з Корнелльським університетом та Стенфордським університетом, розробила перший у світі програмований нелінійний фотонний хвилевід, який може перемикатися між кількома нелінійно-оптичними функціями на одному чипі. Цей прорив докорінно змінює принцип роботи нелінійних фотонних пристроїв, ламаючи парадигму «один пристрій, одна функція», та значно розширює застосування для настроюваних джерел світла, оптичних та квантових обчислень і комунікації.

Рьотацу Янагімото (Ryotatsu Yanagimoto), науковець NTT Research, очолював дослідження під керівництвом Пітера Л. МакМехона (Peter L. McMahon), доцента Корнелльського університету. Стаття «Програмована нелінійна фотоніка на чипі» була опублікована провідним науковим журналом Nature.

«Ці результати знаменують відхід від звичайної парадигми нелінійної оптики, де функції пристрою фіксуються під час виготовлення. Це розширює застосування нелінійної фотоніки до ситуацій, у яких швидка реконфігурація пристрою та висока вихідність є не просто зручними, а необхідними», — сказав Янагімото. «Вперше створено шлях для застосування нелінійної оптики до великомасштабних оптичних схем, реконфігурованого квантового перетворення частоти, довільних синтезаторів оптичних сигналів та широко настроюваних класичних і квантових джерел світла — усього, що є життєво важливим для забезпечення передової обчислювальної та комунікаційної інфраструктури».

Зазвичай, фотонні пристрої дотримуються парадигми «один пристрій, одна функція», що означає, що кожен оптичний компонент може виконувати лише одне, заздалегідь визначене завдання, яке фіксується під час виготовлення пристрою. Це обмеження вимагає від виробників створення окремих пристроїв для різних функцій, що збільшує витрати та складність, одночасно зменшуючи вихідність виробництва через помилки виготовлення.

Програмований нелінійний хвилевід, розроблений NTT Research та її співробітниками, використовує серцевину з нітриду кремнію, нелінійність якої можна динамічно змінювати за допомогою структурованих світлових візерунків. Коли структуроване, програмуюче світло проєктується на пристрій, воно створює специфічні візерунки оптичної нелінійності, які визначають функцію пристрою. Різні світлові візерунки забезпечують різні нелінійно-оптичні функції, усе на тому самому фізичному чипі, у спосіб, що швидко реконфігурується.

Використовуючи цей новий пристрій, дослідники успішно продемонстрували довільне формування імпульсів, широко настроюване генерування другої гармоніки, голографічне генерування просторово-спектрально структурованого світла та інверсне проєктування нелінійно-оптичних функцій у реальному часі у спосіб, стійкий до помилок виготовлення та впливу навколишнього середовища.

Згідно з IDTechEx, очікується, що ринок технологій інтегральних фотонних схем зазнає значного зростання протягом наступного десятиліття до понад 50 млрд дол. доходу до 2035 року (на ринках, включаючи центри обробки даних, телекомунікації 5G, квантові технології, датчики та LiDAR).

Технології, розроблені у цій роботі, можуть вирішити кілька основних перешкод, з якими стикається фотонна промисловість порівняно зі звичайними підходами, таких як:

Зниження витрат: Замість виготовлення кількох спеціалізованих пристроїв, компанії можуть виробляти єдиний програмований чип, який виконує багато функцій, потенційно зменшуючи витрати на R&D та виробництво на порядки.

Покращена вихідність: Можливість програмувати функціональність після виготовлення означає, що пристрої можуть бути скориговані для усунення виробничих недосконалостей, що різко покращує вихідність виробництва. Це важливо для побудови великомасштабної оптичної схеми, де вимога до вихідності є експоненційно суворою.

Ефективність простору та потужності: Єдині пристрої, що виконують кілька функцій, зменшують площу та складність оптичних систем.

Ця технологія є особливо перспективною на кількох високорослих ринках, включаючи квантові обчислення, оскільки програмовані квантові перетворювачі частоти та квантові джерела світла можуть забезпечити більш гнучкі обчислювальні архітектури та покращені можливості квантових мереж. У телекомунікаціях широко настроювані джерела світла та генератори довільних сигналів можуть покращити інфраструктуру 5G та 6G та оптичні комунікаційні системи.

Інші практичні випадки використання включають передове виробництво та зображення, де програмовані, структуровані джерела світла можуть забезпечити більшу точність та адаптивність. Крім того, виграє наукове приладобудування, оскільки оптичні системи, що реконфігуруються в реальному часі, можуть покращити лабораторне обладнання та вимірювальні пристрої.

Існує кілька можливих напрямків, у яких може розвиватися ця робота. По-перше, методи, розроблені в цій роботі, можуть бути використані для «доповнення» програмованих нелінійностей у широкому діапазоні наявних фотонних пристроїв, проєктуючи нові функції, використовуючи їх взаємодію з оригінальними функціями. По-друге, ця робота використовувала відносно недосліджений фізичний ефект — нелінійності, спричинені електричним полем, — для реалізації програмованої нелінійності, але її повний потенціал залишається невідомим; подальше дослідження матеріалів у цьому напрямку може значно розширити сферу застосування цієї технології. Нарешті, демонстрації в цій роботі були обмежені класичними нелінійно-оптичними функціями. Демонстрація програмованих квантових функцій матиме значний вплив на цю галузь.

Лабораторія PHI Lab NTT Research присвячена вивченню обчислень у рамках фундаментальних принципів квантової фізики та науки про мозок, одночасно розробляючи як апаратне, так і програмне забезпечення. Ця робота показала, що нелінійна фотоніка може стати набагато більш масштабованою, гнучкою та програмованою, ніж ми звикли думати.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI