Lithography-free in situ photonic inverse design
Cet article démontre une approche de conception inverse photonique sans lithographie en utilisant un dispositif programmable à forme libre en niobate de lithium en couche mince qui peut être entraîné in situ pour exécuter diverses fonctions optiques de haute performance — telles que la permutation de modes, le démultiplexage et la multiplication matrice-vecteur — amortissant ainsi les coûts de fabrication sur de multiples applications et surmontant les limitations des dispositifs de conception inverse conventionnels et fixes.
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Dans le monde des minuscules circuits lumineux, les ingénieurs sont confrontés depuis longtemps à un paradoxe frustrant. Pour construire un dispositif qui accomplit une tâche spécifique avec la lumière, comme trier différentes couleurs ou acheminer des signaux, ils s'appuient généralement sur une méthode appelée conception inverse. Cette approche utilise de puissants ordinateurs pour calculer la forme parfaite d'une puce, ce qui aboutit souvent à des structures si complexes et contre-intuitives qu'un humain ne pourrait jamais les dessiner. Cependant, cette méthode se heurte à un mur difficile lorsqu'il s'agit de fabriquer la chose réelle. La simulation informatique n'est jamais parfaitement précise ; les imperfections microscopiques de la fabrication et la réalité désordonnée du monde physique créent un écart entre le plan numérique et le dispositif réel. Lorsque la puce est enfin fabriquée, elle est souvent moins performante que ce que l'ordinateur avait prédit. Pour corriger cela, les ingénieurs doivent recommencer, fabriquer une nouvelle puce, la tester et réessayer. Ce cycle est lent, coûteux, et signifie qu'une fois une puce fabriquée, sa fonction est fixée pour toujours. Si vous voulez une fonction différente, il vous faut une toute nouvelle puce.
Une équipe de chercheurs de l'Université Cornell et de NTT Research a trouvé un moyen de briser ce cycle. Au lieu d'essayer de perfectionner une simulation numérique avant la construction, ils ont d'abord construit une puce unique et flexible, puis lui ont appris à effectuer différentes tâches directement en laboratoire. Ils ont créé une fine plaque d'un cristal spécial appelé niobate de lithium, qui possède la capacité unique de modifier la façon dont il dévie la lumière lorsqu'il est exposé à l'électricité. En recouvrant cette plaque d'un matériau sensible à la lumière, ils ont pu contrôler l'électricité circulant à travers elle simplement en projetant un motif de lumière sur sa surface. Cela leur a permis de transformer toute la surface de la puce en un paysage programmable d'environ dix mille petites régions, chacune capable d'altérer le chemin de la lumière qui la traverse.
Les chercheurs ont ensuite utilisé un processus qu'ils appellent conception inverse « in situ ». Plutôt que de simuler le dispositif sur un ordinateur en espérant qu'il fonctionne, ils ont placé la puce physique dans une installation optique et l'ont laissée apprendre. Ils ont projeté un motif de lumière spécifique sur la puce pour définir une fonction, telle que le tri de différents faisceaux lumineux ou la multiplication de nombres. Le système mesurait comment la lumière sortait réellement, la comparait au résultat souhaité, puis utilisait un ordinateur pour calculer comment ajuster le motif de lumière projeté afin de se rapprocher de l'objectif. Cette boucle de mesure et d'ajustement s'est produite en temps réel, permettant au dispositif de trouver la configuration parfaite pour une tâche spécifique en seulement quelques minutes. Parce que la puce est reprogrammée par la lumière plutôt que par la gravure de rainures permanentes, les chercheurs pouvaient effacer une fonction et écrire une toute nouvelle fonction sur la même pièce de matériel physique en quelques secondes.
L'équipe a démontré la puissance de cette approche en transformant leur dispositif unique en une variété d'outils photoniques. Ils l'ont programmé pour agir comme un commutateur capable de réorganiser quatre ou huit faisceaux de lumière différents, les déplaçant d'une entrée vers une sortie spécifique avec une grande précision. Ils lui ont également appris à séparer différents types de motifs lumineux connus sous le nom de modes Hermite–Gaussian, une tâche qui nécessite habituellement une puce dédiée et fabriquée sur mesure. Dans une autre expérience, ils ont configuré le dispositif pour effectuer une multiplication matrice-vecteur, une opération mathématique essentielle pour l'informatique optique, en utilisant des matrices aléatoires. Le dispositif a accompli ces tâches avec une erreur très faible, maintenant les fuites de signal indésirables, connues sous le nom de diaphonie (crosstalk), à des niveaux aussi bas que moins vingt-sept décibels pour la réorganisation des quatre faisceaux.
Au-delà de la simple réorganisation de la lumière, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient contrôler le comportement du dispositif à travers différentes couleurs, ou longueurs d'onde, de lumière. Ils ont programmé la puce pour qu'elle fonctionne de manière identique, que la lumière soit à 1500 nanomètres ou à 1600 nanomètres, créant ainsi un dispositif robuste face aux changements de couleur. Inversement, ils l'ont également programmée pour agir comme un séparateur qui distingue la lumière à 1310 nanomètres de la lumière à 1550 nanomètres, envoyant chaque couleur vers une sortie différente. Cette double capacité prouve que la même plaque physique peut être modelée pour soit ignorer les différences de couleur, soit les exploiter, selon le motif lumineux projeté sur elle.
Ce travail suggère une nouvelle voie pour l'avenir de la photonique, où l'investissement dans la fabrication d'une puce n'est pas gaspillé pour une fonction unique. Au lieu qu'une usine produise des milliers de puces légèrement différentes pour différents travaux, un seul dispositif pourrait être fabriqué, caractérisé, puis reconfiguré à la demande pour accomplir un nombre infini de tâches. Bien que le prototype actuel soit un dispositif de laboratoire nécessitant des lasers et des caméras externes pour fonctionner, les chercheurs esquissent une voie claire pour rendre ces systèmes plus rapides et plus économes en énergie. En améliorant les matériaux et la manière dont la lumière est projetée, ils pensent que ces plaques programmables pourraient éventuellement fonctionner des milliers de fois plus vite qu'elles ne le font actuellement, les rendant viables pour des applications réelles comme les centres de données et les réseaux neuronaux optiques. L'idée clé est que la nature rigide et unique de la fabrication traditionnelle de puces n'est plus une nécessité ; la lumière peut désormais être façonnée et remodelée sur une seule surface, transformant un matériel statique en un outil dynamique et polyvalent.
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