世界上第一个自校准光子芯片:光学数据高速公路的交换

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自校准集成宽带PIC的概念图。图片来源:Xingyuan Xu 等,Nature Photonics

由墨尔本莫纳什大学和 RMIT 大学领导的研究找到了一种方法来创建先进的光子集成电路,在数据高速公路之间架起桥梁,彻底改变当前光学芯片的连接性,并用晶片薄硅片取代笨重的 3D 光学元件。

这一进展发表在Nature Photonics杂志上,能够加速人工智能的全球发展,并提供重要的现实世界应用,例如:

  • 更安全的无人驾驶汽车,能够即时解读周围环境
  • 使人工智能能够更快地诊断医疗状况
  • 让 Google Homes、Alexa 和 Siri 等应用程序的自然语言处理速度更快
  • 更小的交换机,用于重新配置承载互联网的光网络,以便更快地在需要的地方获取数据

无论是打开电视还是让卫星保持正常运行,光子学(光的科学)正在改变我们的生活方式。光子芯片可以将笨重的工作台大小的实用程序的处理能力转变为指甲大小的芯片。

这项研究的参与者包括莫纳什大学(Monash University )电气与计算机系统工程系、北京邮电大学的 Mike Xu 博士,莫纳什大学电气与计算机系统工程系的 Arthur Lowery 教授,以及皇家墨尔本理工大学 Andy Boes 博士。Arnan Mitchell 教授和Guanghui Ren博士设计了该芯片,以便为实验演示做好准备。

该项目的首席研究员莫纳什大学(Monash University) ARC 桂冠研究员 Arthur Lowery 教授表示,这一突破补充了莫纳什大学的 Bill Corcoran 博士之前的发现,他在 2020 年与 RMIT 合作开发了一种新的光学微梳芯片,可以将流量压缩三倍通过单根光纤覆盖整个NBN ,被认为是世界上最快的互联网速度,来自一个指甲大小的芯片。

光学微梳芯片构建了高速公路的多条车道;现在,自校准芯片已经创建了连接它们的上下坡道和桥梁,并允许更大的数据移动。

“我们展示了一种自校准可编程光子滤波器芯片,具有信号处理核心和用于自校准的集成参考路径,”Lowery 教授解释说。

“自校准很重要,因为它使可调谐光子集成电路在现实世界中有用;应用包括根据颜色将信号切换到目的地的光通信系统、非常快速的相似性计算(相关器)、用于化学或生物分析的科学仪器,甚至天文学。

“电子技术使用数字技术在无线电滤波器的稳定性方面看到了类似的改进,这导致许多手机能够共享相同的频谱块;我们的光学芯片具有类似的架构,但可以对具有太赫兹带宽的信号进行操作。”

这一突破已经酝酿了三年。

未来,自动驾驶汽车、遥控采矿和医疗设备等依赖互联网的新技术将需要更快和更高的带宽。带宽的增加不仅仅是为了改进我们的互联网所通过的光纤,它是关于提供多种颜色的紧凑型开关,向多个方向发送数据,因此数据可以一次通过多个通道发送。

“这项研究是一项重大突破——我们的光子技术现在已经足够先进,可以将真正复杂的系统集成在单个芯片上。设备可以有一个片上参考系统,允许其所有组件作为一个整体工作的想法是一项技术突破,它将使我们能够通过快速重新配置承载我们互联网的光网络以在最需要的地方获取数据来解决互联网瓶颈问题,”InPAC 的 Arnan Mitchell 教授说。

光子电路能够操纵和路由信息的光通道,但它们也可以提供一些计算能力,例如搜索模式。模式搜索是许多应用的基础:医疗诊断、自动驾驶汽车、互联网安全、威胁识别和搜索算法。

芯片的快速可靠的重新编程使新的搜索任务能够快速准确地进行编程。然而,这种制造需要精确到光的微小波长(纳米)的程度,这目前是困难且极其昂贵的——自校准克服了这个问题。

该研究的一个关键挑战是将所有光学功能集成到一个可以“插入”到现有基础设施的设备上。

“我们的解决方案是在制造后校准芯片,通过使用片上参考而不是使用外部设备来有效地调整它们,”ARC 桂冠研究员洛厄里教授说。“我们利用因果关系之美,效果跟随原因,这表明通过芯片的路径的光学延迟可以从强度与波长的关系中唯一推导出来,这比精确的时间延迟更容易测量。我们添加了一个强大的芯片参考路径并对其进行了校准。这为我们提供了拨号所需的所有设置以及所需的开关功能或光谱响应。”

该方法是使光子芯片实用的关键步骤。研究人员无需像调谐旧收音机那样寻找设置,而是可以一步调整芯片,从而实现数据流从一个目的地快速可靠地切换到另一个目的地。

光子芯片的可靠调谐开辟了许多其他应用,例如光学相关器,它几乎可以立即找到数据流中的数据模式,例如图像——该小组也一直在研究这一点。

“随着我们将越来越多的台式设备集成到指甲大小的芯片上,让它们一起工作以达到它们更大时的速度和功能变得越来越困难。我们通过创造阿德莱德大学(University of Adelaide)的 Andy Boes 博士说,这种芯片足够聪明,可以自我校准,因此所有组件都可以以他们需要的速度一致地运行。

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