Lithography-free in situ photonic inverse design
Questo articolo dimostra un approccio privo di litografia al design inverso fotonico utilizzando un dispositivo programmabile a forma libera in niobato di litio a film sottile che può essere addestrato in situ per eseguire diverse funzioni ottiche ad alte prestazioni — come la permutazione dei modi, la demultiplexing e la moltiplicazione matrice-vettore — ammortizzando così i costi di fabbricazione su molteplici applicazioni e superando i limiti dei dispositivi convenzionali a design inverso fissi.
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Nel mondo dei minuscoli circuiti luminosi, gli ingegneri affrontano da tempo un frustrante paradosso. Per costruire un dispositivo che esegua un compito specifico con la luce, come smistare diversi colori o instradare segnali, si ricorre solitamente a un metodo chiamato progettazione inversa (inverse design). Questo approccio utilizza potenti computer per calcolare la forma perfetta di un chip, ottenendo spesso strutture così complesse e controintuitive che un essere umano non potrebbe mai disegnarle. Tuttavia, questo metodo si scontra con un duro limite quando si tratta di costruire l'oggetto reale. La simulazione al computer non è mai perfettamente accurata; le imperfezioni microscopiche della produzione e la realtà disordinata del mondo fisico creano un divario tra il piano digitale e il dispositivo reale. Quando il chip viene finalmente realizzato, spesso funziona peggio di quanto previsto dal computer. Per risolvere il problema, gli ingegneri devono ricominciare da capo, fabbricando un nuovo chip, testandolo e riprovando. Questo ciclo è lento, costoso e significa che una volta che un chip è stato prodotto, la sua funzione è fissata per sempre. Se si desidera una funzione diversa, è necessario un chip completamente nuovo.
Un team di ricercatori della Cornell University e della NTT Research ha trovato un modo per rompere questo ciclo. Invece di cercare di perfezionare una simulazione digitale prima di costruire, hanno costruito prima un singolo chip flessibile e poi lo hanno istruito su come eseguire diversi compiti direttamente in laboratorio. Hanno creato una sottile lastra di un materiale speciale chiamato niobato di litio, che ha la capacità unica di cambiare il modo in cui piega la luce quando esposta all'elettricità. Coprendo questa lastra con un materiale fotosensibile, sono riusciti a controllare l'elettricità che scorre attraverso di essa semplicemente proiettando un modello di luce sulla superficie. Ciò ha permesso loro di trasformare l'intera superficie del chip in un paesaggio programmabile di circa diecimila piccole regioni, ognuna capace di alterare il percorso della luce che vi passa attraverso.
I ricercatori hanno poi utilizzato un processo che chiamano progettazione inversa "in situ". Invece di simulare il dispositivo su un computer sperando che funzioni, hanno posizionato il chip fisico in un setup ottico e lo hanno lasciato imparare. Hanno proiettato un modello di luce specifico sul chip per definire una funzione, come smistare diversi fasci di luce o moltiplicare numeri. Il sistema misurava come la luce effettivamente usciva, la confrontava con il risultato desiderato e poi utilizzava un computer per calcolare come regolare il modello di luce proiettato per avvicinarsi all'obiettivo. Questo ciclo di misurazione e regolazione avveniva in tempo reale, permettendo al dispositivo di trovare la configurazione perfetta per un compito specifico in soli minuti. Poiché il chip viene riprogrammato tramite la luce anziché tramite incisioni di solchi permanenti, i ricercatori potevano cancellare una funzione e scriverne una completamente nuova sullo stesso pezzo fisico di hardware in pochi secondi.
Il team ha dimostrato la potenza di questo approccio trasformando il loro singolo dispositivo in una varietà di diversi strumenti fotonici. Lo hanno programmato per agire come uno switch in grado di riorganizzare quattro o otto diversi fasci di luce, spostandoli da un input a un output specifico con alta precisionità. Lo hanno anche istruito per separare diversi tipi di modelli di luce noti come modi Hermite–Gaussian, un compito che solitamente richiede un chip dedicato e costruito su misura. In un altro esperimento, hanno configurato il dispositivo per eseguire la moltiplicazione matrice-vettore, un'operazione matematica essenziale per il calcolo ottico, utilizzando matrici casuali. Il dispositivo ha eseguito questi compiti con un errore molto basso, mantenendo la dispersione indesiderata del segnale, nota come crosstalk, a livelli inferiori a meno ventisette decibel per il riarrangiamento dei quattro fasci.
Oltre a riorganizzare la luce, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare il modo in cui il dispositivo si comporta attraverso diversi colori, o lunghezze d'onda, della luce. Hanno programmato il chip per funzionare in modo identico sia che la luce fosse a 1500 nanometri che a 1600 nanometri, creando un dispositivo che è robusto contro le variazioni di colore. Al contrario, hanno anche programmato il dispositivo affinché agisse come uno splitter che separa la luce a 1310 nanometri dalla luce a 1550 nanometri, inviando ciascun colore a un output diverso. Questa doppia capacità dimostra che la stessa lastra fisica può essere modellata per ignorare le differenze di colore o per sfruttarle, a seconda interamente del modello di luce proiettato su di essa.
Questo lavoro suggerisce una nuova strada per il futuro della fotonica, dove l'investimento nella creazione di un chip non viene sprecato su una singola funzione. Invece di una fabbrica che produce migliaia di chip leggermente diversi per vari lavori, un singolo dispositivo potrebbe essere fabbricato, caratterizzato e poi riconfigurato su richiesta per eseguire un numero qualsiasi di compiti. Sebbene l'attuale prototipo sia un dispositivo di laboratorio che richiede laser ed telecamere esterni per operare, i ricercatori delineano un percorso chiaro per rendere questi sistemi più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. Migliorando i materiali e il modo in cui la luce viene proiettata, credono che queste lastre programmabili potrebbero alla fine operare a velocità migliaia di volte superiori rispetto a quelle attuali, rendendole idonee per applicazioni reali come i data center e le reti neurali ottiche. Il punto chiave è che la natura rigida e una tantum della tradizionale produzione di chip non è più una necessità; la luce può ora essere modellata e rimodellata su una singola superficie, trasformando un pezzo di hardware statico in uno strumento dinamico e multiuso.
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