Schema concettuale del PIC a banda larga integrato autocalibrante. Credito:Xingyuan Xu et al, Fotonica della natura (2022). DOI:10.1038/s41566-022-01020-z
La ricerca guidata dalle università Monash e RMIT di Melbourne ha trovato un modo per creare un circuito integrato fotonico avanzato che costruisce ponti tra le autostrade dei dati, rivoluzionando la connettività degli attuali chip ottici e sostituendo le ingombranti ottiche 3D con una sottile fetta di silicio.
Questo sviluppo, pubblicato sulla rivista Nature Photonics , ha la capacità di accelerare il progresso globale dell'intelligenza artificiale e offre applicazioni significative nel mondo reale come:
Che si tratti di accendere una TV o di tenere acceso un satellite, la fotonica (la scienza della luce) sta trasformando il nostro modo di vivere. I chip fotonici possono trasformare la capacità di elaborazione di ingombranti utility delle dimensioni di un banco in chip delle dimensioni di un'unghia.
Il dottor Mike Xu del Dipartimento di ingegneria dei sistemi elettrici e informatici della Monash University e ora presso l'Università delle poste e delle telecomunicazioni di Pechino, il professor Arthur Lowery del Dipartimento di ingegneria dei sistemi elettrici e informatici della Monash University e il dottor Andy Boes, che ha condotto questa ricerca mentre era a RMIT.
Il professor Arnan Mitchell e il dottor Guanghui Ren hanno progettato il chip in modo che fosse pronto per la dimostrazione sperimentale.
Il ricercatore capo del progetto, Arthur Lowery, professore laureato all'ARC della Monash University, afferma che questa svolta integra la precedente scoperta del dottor Bill Corcoran della Monash University, che in collaborazione con RMIT nel 2020, ha sviluppato un nuovo chip microcomb ottico in grado di spremere tre volte il traffico dell'intero NBN attraverso un'unica fibra ottica, considerata la velocità Internet più veloce al mondo da un singolo chip delle dimensioni di un'unghia.
Il chip del microcomb ottico ha costruito più corsie dell'autostrada; ora il chip autocalibrante ha creato le rampe e i ponti di salita e discesa che li collegano tutti e consentono una maggiore movimentazione dei dati.
"Abbiamo dimostrato un chip filtro fotonico programmabile autocalibrante, dotato di un core di elaborazione del segnale e un percorso di riferimento integrato per l'autocalibrazione", spiega il professor Lowery.
"L'autocalibrazione è significativa perché rende i circuiti integrati fotonici sintonizzabili utili nel mondo reale; le applicazioni includono sistemi di comunicazione ottica che commutano i segnali verso destinazioni in base al loro colore, calcoli di somiglianza molto veloci (correlatori), strumentazione scientifica per analisi chimiche o biologiche , e persino l'astronomia.
"L'elettronica ha visto miglioramenti simili nella stabilità dei filtri radio utilizzando tecniche digitali, il che ha portato molti cellulari a condividere la stessa porzione di spettro; i nostri chip ottici hanno architetture simili, ma possono operare su segnali con larghezze di banda terahertz."
Questa svolta ha richiesto tre anni di lavoro.
Le nuove tecnologie basate su Internet come le auto a guida autonoma, le attrezzature minerarie e mediche telecomandate richiederanno in futuro una larghezza di banda ancora più veloce e maggiore. L'aumento della larghezza di banda non riguarda solo il miglioramento delle fibre ottiche in cui viaggia la nostra Internet, ma anche la fornitura di interruttori compatti di molti colori, che vanno in molte direzioni, in modo che i dati possano essere inviati su più canali contemporaneamente.
"Questa ricerca rappresenta un importante passo avanti:la nostra tecnologia fotonica è ora sufficientemente avanzata da consentire l'integrazione di sistemi veramente complessi su un singolo chip. L'idea che un dispositivo possa avere un sistema di riferimento su chip che consenta a tutti i suoi componenti di funzionare come un unico è una svolta tecnologica che ci consentirà di affrontare i problemi di Internet con i colli di bottiglia riconfigurando rapidamente le reti ottiche che trasportano la nostra Internet per ottenere i dati dove sono più necessari", afferma il professor Arnan Mitchell dell'InPAC.
I circuiti fotonici sono in grado di manipolare e instradare canali ottici di informazioni, ma possono anche fornire alcune capacità di calcolo, ad esempio, la ricerca di schemi. La ricerca di modelli è fondamentale per molte applicazioni:diagnosi medica, veicoli autonomi, sicurezza Internet, identificazione delle minacce e algoritmi di ricerca.
La riprogrammazione rapida e affidabile dei chip consente di programmare nuove attività di ricerca in modo rapido e preciso. Tuttavia, questa produzione deve essere precisa al grado di una minuscola lunghezza d'onda della luce (nanometri), che è attualmente difficile ed estremamente costosa:l'autocalibrazione risolve questo problema.
Una sfida chiave della ricerca è stata l'integrazione di tutte le funzioni ottiche su un dispositivo che potesse essere "collegato" all'infrastruttura esistente.
"La nostra soluzione è calibrare i chip dopo la produzione, per metterli a punto in effetti utilizzando un riferimento sul chip, anziché utilizzare apparecchiature esterne", afferma il professor Lowery, un ARC Laureate Fellow. "Utilizziamo la bellezza della causalità, effetto che segue la causa, che impone che i ritardi ottici dei percorsi attraverso il chip possano essere dedotti in modo univoco dall'intensità rispetto alla lunghezza d'onda, che è molto più facile da misurare rispetto ai ritardi temporali precisi. Abbiamo aggiunto un forte percorso di riferimento del nostro chip e lo abbiamo calibrato. Questo ci fornisce tutte le impostazioni necessarie per "chiamare in su" e la funzione di commutazione desiderata o la risposta spettrale."
Il metodo è un passaggio fondamentale per rendere i chip fotonici praticamente utili. Invece di cercare un'impostazione, simile alla sintonizzazione di una vecchia radio, i ricercatori hanno potuto sintonizzare il chip in un solo passaggio, consentendo il passaggio rapido e affidabile dei flussi di dati da una destinazione all'altra.
La messa a punto affidabile dei chip fotonici apre molte altre applicazioni, come i correlatori ottici, che possono trovare quasi istantaneamente schemi di dati nei flussi di dati, come le immagini, qualcosa su cui il gruppo ha anche lavorato.
"Man mano che integriamo sempre più apparecchiature delle dimensioni di un banco su chip delle dimensioni di un'unghia, diventa sempre più difficile farli lavorare tutti insieme per raggiungere la velocità e la funzionalità che avevano quando erano più grandi. Abbiamo superato questa sfida creando un chip abbastanza intelligente da calibrarsi in modo che tutti i componenti potessero agire all'unisono alla velocità necessaria", afferma il dott. Andy Boes dell'Università di Adelaide. + Esplora ulteriormente
