Forskare har använt en artificiell intelligens-algoritm för att designa tre komponenter för fotoniska mikrochips som är upp till 500 gånger mindre än konventionella versioner. Forskarna beskrev resultaten som "bortom mänsklig intuition".
Fotoniska chip transporterar och bearbetar data med ljuspartiklar i stället för elektroner. De kan bära mer data i högre hastigheter och slösa mindre energi som värme, vilket gör dem användbara för fiberoptiska nätverk, datacenter, AI-system, lidar och kvantdatorer.
I stället för metalltrådar använder dessa chip mikrometerbreda kanaler kallade vågledare för att styra ljus. De behöver också våglängdssplittrare, rumsliga modesorterare och speglar för att separera och rikta ljusmönster inom en yta som är en bråkdel av ett hårstrås bredd.
Arbeta baklänges för att hitta en design
Teamet, lett av forskare vid Max Planck-institutet för ljusvetenskap tillsammans med Harvard University, berättade för algoritmen vad de ville att komponenterna skulle göra med ljuset och satte tillverkningsgränser, som hur skarpt nanostrukturerna kunde kröka sig. Algoritmen arbetade sedan baklänges och testade och förfinade designer tills den hittade strukturer som uppfyllde målet.
"Invers design låter oss definiera vad vi vill att ljuset ska göra, och optimeringen hittar en struktur som gör det, ofta en som ingen människa skulle ha ritat", sade försteförfattaren Toby Bi. Han tillade att samma ramverk hanterade tre olika uppgifter på ett chip: dirigera ljus efter våglängd, sortera det efter rumsligt mode och fungera som kompakta speglar som bildar optiska kaviteter.
Mindre delar, mer plats på chippet
Speglarna, cirka 11 mikrometer långa, reflekterade upp till 98,5 procent av inkommande ljus samtidigt som de blockerade oönskade mönster. Ljus studsade mellan ett par av dem mer än 100 gånger innan det kom ut. Våglängdssplittraren är ungefär lika stor som en enda bakterie, cirka 5 mikrometer tvärs över, och modesorteraren är något större.
Komponenterna tillverkades av kiselnitrid ungefär 400 till 800 nanometer tjock, jämfört med 150 till 400 nanometer för standardkisel, vilket minskar ljusförlust och begränsar våglängder tätare. Resultaten publicerades den 28 maj i Nature Communications.
Teamet har ännu inte kombinerat delarna till en komplett integrerad optisk krets. Det är nästa steg mot fullt fungerande fotoniska chip som drar nytta av den högre komponentdensitet dessa designer möjliggör.
---
Pålitlig ferrofluid-vakuumroterande genomföring för halvledartillverkning
Inom halvledartillverkning är det avgörande att upprätthålla ultrahög vakuumintegritet under roterande rörelse – från tillväxt av enkla kiselkristaller och CVD till sputtring och plasmaetsning. Ferrofluid Vacuum Rotary Shaft Feedthrough från FerrofluidTec levererar hermetiskt tätade roterande genomföringar med läckagehastigheter så låga som 10⁻¹² Pa·m³·s⁻¹, vakuumgrad upp till 10⁻⁶ Pa och anpassningsbara axeldiametrar från 10 mm till 100 mm. Byggda med icke-magnetiska höljen i rostfritt stål och axlar i rostfritt stål med magnetisk permeabilitet ger dessa genomföringar pålitlig, underhållsfri tätning för krävande vakuummiljöer. Besök www.ferrofluidtec.com för mer information.