استخدم علماء خوارزمية ذكاء اصطناعي لتصميم ثلاثة مكونات لرقائق ضوئية دقيقة أصغر بما يصل إلى 500 مرة من النسخ التقليدية. ووصف الباحثون النتائج بأنها "تتجاوز الحدس البشري".
تنقل الرقائق الضوئية البيانات وتعالجها باستخدام جسيمات الضوء بدلاً من الإلكترونات. ويمكنها حمل بيانات أكثر بسرعات أعلى وإهدار طاقة أقل كحرارة، مما يجعلها مفيدة لشبكات الألياف البصرية ومراكز البيانات وأنظمة الذكاء الاصطناعي والليدار والحوسبة الكمومية.
بدلاً من الأسلاك المعدنية، تستخدم هذه الرقائق قنوات بعرض ميكرومتر تُسمى الموجّهات لتوجيه الضوء. وتحتاج أيضاً إلى مقسّمات الطول الموجي ومصنّفات الأنماط المكانية ومرايا لفصل أنماط الضوء وتوجيهها داخل مساحة أصغر من عرض شعرة الإنسان.
العمل عكسياً لإيجاد تصميم
أخبر الفريق، بقيادة باحثين في معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء مع جامعة هارفارد، الخوارزمية بما يريدون أن تفعله المكونات بالضوء وحددوا قيود التصنيع مثل مدى حدة انحناء البنى النانوية. ثم عملت الخوارزمية عكسياً، تختبر التصاميم وتصقلها حتى وجدت هياكل تحقق الهدف.
وقال المؤلف الأول توبي بي: "يتيح لنا التصميم العكسي تحديد ما نريد أن يفعله الضوء، ويجد التحسين هيكلاً يفعل ذلك، غالباً هيكل لم يرسمه أي إنسان". وأضاف أن الإطار نفسه تعامل مع ثلاث مهام مختلفة على رقاقة واحدة: توجيه الضوء حسب الطول الموجي، وفرزه حسب النمط المكاني، والعمل كمرايا مدمجة تشكل تجاويف بصرية.
أجزاء أصغر ومساحة أكبر على الرقاقة
عكست المرايا، التي يبلغ طولها نحو 11 ميكرومتراً، ما يصل إلى 98.5% من الضوء الوارد مع حجب الأنماط غير المرغوبة. وارتد الضوء بين زوج منها أكثر من 100 مرة قبل أن يهرب. ومقسّم الطول الموجي بحجم بكتيريا واحدة تقريباً، نحو 5 ميكرومترات عرضاً، ومصنّف الأنماط أكبر قليلاً.
صُنعت المكونات من نيتريد السيليكون بسماكة 400 إلى 800 نانومتر تقريباً، مقارنة بـ150 إلى 400 نانومتر للسيليكون القياسي، مما يقلل فقدان الضوء ويحبس الأطوال الموجية بإحكام أكبر. ونُشرت النتائج في 28 مايو في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز.
لم يجمع الفريق بعد الأجزاء في دائرة بصرية متكاملة كاملة. ويُعد ذلك الخطوة التالية نحو رقائق ضوئية عاملة بالكامل تستفيد من كثافة المكونات الأعلى التي تتيحها هذه التصاميم.