Ein Knotenpunkt für optische Datenautobahnen

Forschungsarbeiten unter der Leitung der Universitäten Monash und RMIT in Melbourne haben einen Weg gefunden, einen fortschrittlichen photonischen integrierten Schaltkreis zu schaffen, der Brücken zwischen Datenautobahnen baut, die Konnektivität aktueller optischer Chips revolutioniert und sperrige 3D-Optiken durch eine hauchdünne Siliziumscheibe ersetzt.

Diese Entwicklung, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturphotonikhat die Fähigkeit, den globalen Fortschritt der künstlichen Intelligenz zu beschleunigen, und bietet bedeutende reale Anwendungen wie:

Ob es darum geht, einen Fernseher einzuschalten oder einen Satelliten auf Kurs zu halten, die Photonik (die Wissenschaft des Lichts) verändert unsere Lebensweise. Die photonischen Chips können die Verarbeitungsfähigkeit von sperrigen Versorgungsunternehmen in Laborgröße auf fingernagelgroße Chips umwandeln.

Dr. Mike Xu von der Abteilung für Elektro- und Computersystemtechnik der Monash-Universität und jetzt an der Beijing University of Posts and Telecommunications, Professor Arthur Lowery von der Abteilung für Elektro- und Computersystemtechnik der Monash-Universität und Dr. Andy Boes, der diese Forschung während seiner Zeit durchführte RMIT.

Professor Arnan Mitchell und Dr. Guanghui Ren konstruierten den Chip so, dass er für die experimentelle Demonstration bereit war.

Der leitende Forscher des Projekts, Monash University ARC Laureate Fellow Professor Arthur Lowery, sagt, dieser Durchbruch ergänze die frühere Entdeckung von Dr. Bill Corcoran von der Monash University, der 2020 in Partnerschaft mit dem RMIT einen neuen optischen Mikrokamm-Chip entwickelte, der den Datenverkehr dreimal verkürzen kann des gesamten NBN über eine einzige Glasfaser, die als die weltweit schnellste Internetgeschwindigkeit gilt, von einem einzigen fingernagelgroßen Chip.

Der optische Mikrokammchip baute mehrere Fahrspuren der Autobahn; Jetzt hat der selbstkalibrierende Chip die Auf- und Abfahrrampen und Brücken geschaffen, die sie alle verbinden und eine größere Datenbewegung ermöglichen.

„Wir haben einen selbstkalibrierenden programmierbaren photonischen Filterchip mit einem Signalverarbeitungskern und einem integrierten Referenzpfad für die Selbstkalibrierung demonstriert“, erklärt Professor Lowery.

„Selbstkalibrierung ist wichtig, weil sie abstimmbare photonische integrierte Schaltungen in der realen Welt nützlich macht; Anwendungen umfassen optische Kommunikationssysteme, die Signale auf der Grundlage ihrer Farbe an Ziele schalten, sehr schnelle Ähnlichkeitsberechnungen (Korrelatoren), wissenschaftliche Instrumente für chemische oder biologische Analysen , und sogar Astronomie.

„Elektronik hat ähnliche Verbesserungen in der Stabilität von Funkfiltern mit digitalen Techniken gesehen, was dazu führte, dass viele Mobiltelefone denselben Teil des Spektrums teilen konnten; unsere optischen Chips haben ähnliche Architekturen, können aber mit Signalen mit Terahertz-Bandbreiten arbeiten.“

An diesem Durchbruch wurde drei Jahre lang gearbeitet.

Neue internetbasierte Technologien wie selbstfahrende Autos, ferngesteuerter Bergbau und medizinische Geräte werden in Zukunft noch schnellere und größere Bandbreiten erfordern. Bei der Erhöhung der Bandbreite geht es nicht nur um die Verbesserung der Glasfasern, durch die unser Internet läuft, sondern auch um die Bereitstellung kompakter Schalter in vielen Farben, die in viele Richtungen gehen, sodass Daten über viele Kanäle gleichzeitig gesendet werden können.

„Diese Forschung ist ein großer Durchbruch – unsere photonische Technologie ist jetzt so weit fortgeschritten, dass wirklich komplexe Systeme auf einem einzigen Chip integriert werden können. Die Idee, dass ein Gerät ein On-Chip-Referenzsystem haben kann, das es allen seinen Komponenten ermöglicht, als eins zu arbeiten ist ein technologischer Durchbruch, der es uns ermöglichen wird, Engpässe im Internet anzugehen, indem wir die optischen Netzwerke, die unser Internet transportieren, schnell neu konfigurieren, um Daten dorthin zu bringen, wo sie am dringendsten benötigt werden“, sagt Professor Arnan Mitchell von InPAC.

Photonische Schaltkreise sind in der Lage, optische Informationskanäle zu manipulieren und zu routen, aber sie können auch einige Rechenfähigkeiten bereitstellen, beispielsweise die Suche nach Mustern. Die Mustersuche ist für viele Anwendungen von grundlegender Bedeutung: medizinische Diagnose, autonome Fahrzeuge, Internetsicherheit, Bedrohungserkennung und Suchalgorithmen.

Durch die schnelle und zuverlässige Umprogrammierung der Chips können neue Suchaufgaben schnell und genau programmiert werden. Diese Herstellung muss jedoch auf den Grad einer winzigen Lichtwellenlänge (Nanometer) genau sein, was derzeit schwierig und extrem teuer ist – die Selbstkalibrierung überwindet dieses Problem.

Eine zentrale Herausforderung der Forschung bestand darin, alle optischen Funktionen in ein Gerät zu integrieren, das in die vorhandene Infrastruktur „eingesteckt“ werden konnte.

„Unsere Lösung besteht darin, die Chips nach der Herstellung zu kalibrieren, um sie tatsächlich durch Verwendung einer On-Chip-Referenz abzustimmen, anstatt externe Geräte zu verwenden“, sagt Professor Lowery, ein ARC Laureate Fellow. „Wir nutzen die Schönheit der Kausalität, Wirkung folgt auf Ursache, die vorschreibt, dass die optischen Verzögerungen der Wege durch den Chip eindeutig aus der Intensität gegenüber der Wellenlänge abgeleitet werden können, was viel einfacher zu messen ist als präzise Zeitverzögerungen. Wir haben eine starke hinzugefügt Referenzpfad zu unserem Chip und kalibriert ihn. Dadurch haben wir alle Einstellungen, die zum ‚Einwählen‘ und der gewünschten Schaltfunktion oder Spektralantwort erforderlich sind.“

Die Methode ist ein entscheidender Schritt, um photonische Chips praktisch nutzbar zu machen. Anstatt wie beim Einstellen eines alten Radios nach einer Einstellung zu suchen, konnten die Forscher den Chip in einem Schritt einstellen und so die schnelle und zuverlässige Umschaltung von Datenströmen von einem Ziel zum anderen ermöglichen.

Die zuverlässige Abstimmung von photonischen Chips eröffnet viele andere Anwendungen, wie optische Korrelatoren, die Datenmuster in Datenströmen wie Bildern fast augenblicklich finden können – etwas, an dem die Gruppe auch gearbeitet hat.

„Da wir immer mehr Geräte in Tischgröße auf fingernagelgroßen Chips integrieren, wird es immer schwieriger, sie alle zusammenzubringen, um die Geschwindigkeit und Funktion zu erreichen, die sie hatten, als sie größer waren. Wir haben diese Herausforderung gemeistert, indem wir etwas geschaffen haben ein Chip, der schlau genug war, sich selbst zu kalibrieren, damit alle Komponenten im Einklang mit der erforderlichen Geschwindigkeit agieren konnten“, sagt Dr. Andy Boes von der University of Adelaide.