Gli scienziati hanno usato un algoritmo di intelligenza artificiale per progettare tre componenti per microchip fotonici fino a 500 volte più piccoli delle versioni convenzionali. I ricercatori hanno descritto i risultati come "oltre l'intuizione umana".
I chip fotonici spostano ed elaborano dati usando particelle di luce invece di elettroni. Possono trasportare più dati a velocità superiori e disperdere meno energia sotto forma di calore, il che li rende utili per reti in fibra ottica, data center, sistemi di intelligenza artificiale, lidar e calcolo quantistico.
Invece dei fili metallici, questi chip usano canali larghi micrometri chiamati guide d'onda per dirigere la luce. Servono anche splitter di lunghezza d'onda, selettori di modo spaziale e specchi per separare e dirigere i pattern luminosi in uno spazio grande una frazione della larghezza di un capello umano.
Lavorare a ritroso per trovare un progetto
Il team, guidato da ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light con l'Università di Harvard, ha indicato all'algoritmo cosa voleva che i componenti facessero alla luce e fissato limiti di produzione, come quanto potessero curvarsi le nanostrutture. L'algoritmo ha poi lavorato a ritroso, testando e perfezionando i progetti fino a trovare strutture che raggiungessero l'obiettivo.
"Il design inverso ci permette di definire cosa vogliamo che faccia la luce, e l'ottimizzazione trova una struttura che lo fa, spesso una che nessun umano avrebbe disegnato", ha detto il primo autore Toby Bi. Ha aggiunto che lo stesso framework ha gestito tre compiti diversi su un solo chip: instradare la luce per lunghezza d'onda, ordinarla per modo spaziale e agire come specchi compatti che formano cavità ottiche.
Parti più piccole, più spazio sul chip
Gli specchi, lunghi circa 11 micrometri, riflettevano fino al 98,5% della luce in arrivo bloccando i pattern indesiderati. La luce rimbalzava tra una coppia di essi più di 100 volte prima di uscire. Lo splitter di lunghezza d'onda è grande all'incirca quanto un singolo batterio, circa 5 micrometri, e il selettore di modo è leggermente più grande.
I componenti sono stati realizzati in nitruro di silicio spesso circa 400-800 nanometri, rispetto ai 150-400 nanometri del silicio standard, il che riduce la perdita di luce e confina le lunghezze d'onda più strettamente. I risultati sono stati pubblicati il 28 maggio su Nature Communications.
Il team non ha ancora combinato le parti in un circuito ottico integrato completo. Farlo è il prossimo passo verso chip fotonici pienamente funzionali che sfruttino la maggiore densità di componenti consentita da questi progetti.
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