Wissenschaftler haben einen KI-Algorithmus genutzt, um drei Komponenten für photonische Mikrochips zu entwerfen, die bis zu 500-mal kleiner sind als herkömmliche Versionen. Die Forscher bezeichneten die Ergebnisse als „jenseits menschlicher Intuition".
Photonische Chips bewegen und verarbeiten Daten mit Lichtteilchen statt Elektronen. Sie können mehr Daten mit höherer Geschwindigkeit übertragen und weniger Energie als Wärme verschwenden, was sie für Glasfasernetze, Rechenzentren, KI-Systeme, Lidar und Quantencomputing nützlich macht.
Statt Metalldrähten nutzen diese Chips mikrometerbreite Kanäle namens Wellenleiter, um Licht zu lenken. Sie benötigen zudem Wellenlängenteiler, räumliche Modensortierer und Spiegel, um Lichtmuster auf einer Fläche von einem Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares zu trennen und zu lenken.
Rückwärts arbeiten, um ein Design zu finden
Das Team unter Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts mit der Harvard University gab dem Algorithmus vor, was die Komponenten mit dem Licht tun sollten, und setzte Fertigungsgrenzen, etwa wie stark die Nanostrukturen gekrümmt sein durften. Der Algorithmus arbeitete dann rückwärts, testete und verfeinerte Designs, bis er Strukturen fand, die das Ziel erfüllten.
„Inverses Design lässt uns definieren, was das Licht tun soll, und die Optimierung findet eine Struktur, die das tut, oft eine, die kein Mensch gezeichnet hätte", sagte Erstautor Toby Bi. Er ergänzte, dass dasselbe Framework drei verschiedene Aufgaben auf einem Chip bewältigte: Licht nach Wellenlänge leiten, nach räumlicher Mode sortieren und als kompakte Spiegel wirken, die optische Kavitäten bilden.
Kleinere Teile, mehr Platz auf dem Chip
Die etwa 11 Mikrometer langen Spiegel reflektierten bis zu 98,5 % des einfallenden Lichts und blockierten unerwünschte Muster. Licht sprang mehr als 100-mal zwischen einem Spiegelpaar hin und her, bevor es entwich. Der Wellenlängenteiler ist etwa so groß wie ein einzelnes Bakterium, rund 5 Mikrometer, der Modensortierer etwas größer.
Die Komponenten wurden aus Siliziumnitrid mit etwa 400 bis 800 Nanometern Dicke gefertigt, verglichen mit 150 bis 400 Nanometern bei Standard-Silizium, was Lichtverluste senkt und Wellenlängen enger einschließt. Die Ergebnisse wurden am 28. Mai in Nature Communications veröffentlicht.
Das Team hat die Teile noch nicht zu einem vollständigen integrierten optischen Schaltkreis kombiniert. Dies ist der nächste Schritt hin zu voll funktionsfähigen photonischen Chips, die die höhere Komponentendichte dieser Designs nutzen.
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