Cientistas usaram um algoritmo de inteligência artificial para projetar três componentes para microchips fotônicos que são até 500 vezes menores que as versões convencionais. Os pesquisadores descreveram os resultados como "além da intuição humana".
Chips fotônicos movem e processam dados usando partículas de luz em vez de elétrons. Eles podem carregar mais dados em velocidades maiores e desperdiçar menos energia como calor, o que os torna úteis para redes de fibra óptica, data centers, sistemas de inteligência artificial, lidar e computação quântica.
Em vez de fios metálicos, esses chips usam canais de largura micrométrica chamados guias de onda para direcionar a luz. Também precisam de divisores de comprimento de onda, classificadores de modo espacial e espelhos para separar e direcionar padrões de luz dentro de uma área de uma fração da largura de um fio de cabelo humano.
Trabalhando de trás para frente para encontrar um projeto
A equipe, liderada por pesquisadores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz com a Universidade de Harvard, disse ao algoritmo o que queriam que os componentes fizessem com a luz e definiu limites de fabricação, como o quão acentuadamente as nanoestruturas poderiam curvar. O algoritmo então trabalhou de trás para frente, testando e refinando projetos até encontrar estruturas que atendessem ao objetivo.
"O projeto inverso nos permite definir o que queremos que a luz faça, e a otimização encontra uma estrutura que o faz, muitas vezes uma que nenhum humano teria desenhado", disse o primeiro autor Toby Bi. Ele acrescentou que a mesma estrutura lidou com três tarefas diferentes em um chip: rotear luz por comprimento de onda, classificá-la por modo espacial e atuar como espelhos compactos que formam cavidades ópticas.
Peças menores, mais espaço no chip
Os espelhos, com cerca de 11 micrômetros de comprimento, refletiram até 98,5% da luz recebida enquanto bloqueavam padrões indesejados. A luz saltou entre um par deles mais de 100 vezes antes de escapar. O divisor de comprimento de onda tem aproximadamente o tamanho de uma única bactéria, cerca de 5 micrômetros de diâmetro, e o classificador de modo é ligeiramente maior.
Os componentes foram feitos de nitreto de silício com cerca de 400 a 800 nanômetros de espessura, em comparação com 150 a 400 nanômetros do silício padrão, o que reduz a perda de luz e confina os comprimentos de onda mais firmemente. Os resultados foram publicados em 28 de maio na Nature Communications.
A equipe ainda não combinou as peças em um circuito óptico integrado completo. Fazer isso é o próximo passo rumo a chips fotônicos totalmente funcionais que aproveitem a maior densidade de componentes que esses projetos permitem.
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