Lithography-free in situ photonic inverse design

In de wereld van minuscule lichtcircuits worden ingenieurs al lang geconfronteerd met een frustrerende paradox. Om een apparaat te bouwen dat een specifieke taak met licht uitvoert, zoals het sorteren van verschillende kleuren of het routeren van signalen, vertrouwen ze meestal op een methode die inverse design wordt genoemd. Deze aanpak gebruikt krachtige computers om de perfecte vorm voor een chip te berekenen, wat vaak resulteert in structuren die zo complex en contra-intuïtief zijn dat een mens ze nooit had kunnen tekenen. Deze methode loopt echter tegen een harde muur aan wanneer het gaat om het bouwen van het echte ding. De computersimulatie is nooit perfect nauwkeurig; de microscopische imperfecties van de productie en de rommelige realiteit van de fysieke wereld creëren een kloof tussen het digitale plan en het daadwerkelijke apparaat. Wanneer de chip uiteindelijk wordt gemaakt, presteert deze vaak slechter dan de computer had voorspeld. Om dit op te lossen, moeten ingenieurs opnieuw beginnen, een nieuwe chip fabriceren, deze testen en het opnieuw proberen. Deze cyclus is traag, duur en betekent dat zodra een chip is gemaakt, de functie ervan voor altijd vaststaat. Als je een andere functie wilt, heb je een gloednieuwe chip nodig.

Een team onderzoekers van de Cornell University en NTT Research heeft een manier gevonden om deze cyclus te doorbreken. In plaats van te proberen een digitale simulatie te perfectioneren voordat er wordt gebouwd, bouwden ze eerst een enkele, flexibele chip en leerden deze vervolgens hoe het verschillende taken moet uitvoeren, direct in het laboratorium. Ze creëerden een dunne plaat van een speciaal kristal genaamd lithiumniobiaat, dat het unieke vermogen heeft om te veranderen hoe het licht buigt wanneer het wordt blootgesteld aan elektriciteit. Door deze plaat te bedekken met een lichtgevoelig materiaal, konden ze de elektriciteit die erdoorheen stroomt controleren door simpelweg een patroon van licht op het oppervlak te schijnen. Dit stelde hen in staat om het gehele oppervlak van de chip te veranderen in een programmeerbaar landschap van ongeveer tienduizend kleine regio's, die elk in staat zijn om het pad van het passerende licht te wijzigen.

De onderzoekers gebruikten vervolgens een proces dat ze "in situ" inverse design noemen. In plaats van het apparaat op een computer te simuleren en te hopen dat het werkt, plaatsten ze de fysieke chip in een optische opstelling en lieten ze het leren. Ze projecteerden een specifiek lichtpatroon op de chip om een functie te definiëren, zoals het sorteren van verschillende lichtbundels of het vermenigvuldigen van getallen. Het systeem mat hoe het licht daadwerkelijk uitkwam, vergeleken het resultaat met het gewenste resultaat, en gebruikte vervolgens een computer om te berekenen hoe het geprojecteerde lichtpatroon aangepast moest worden om dichter bij het doel te komen. Deze lus van meten en aanpassen gebeurde in realtime, waardoor het apparaat de perfecte configuratie voor een specifieke taak in slechts enkele minuten kon vinden. Omdat de chip wordt hergeprogrammeerd door middel van licht in plaats van dat er permanente groeven in worden geëtst, konden de onderzoekers één functie wissen en een volledig nieuwe functie in enkele seconden op hetzelfde fysieke stuk hardware schrijven.

Het team demonstreerde de kracht van deze aanpak door hun enkele apparaat te veranderen in een verscheidenheid aan verschillende fotonische instrumenten. Ze programmeerden het om te fungeren als een schakelaar die vier of acht verschillende lichtbundels kon herverdelen, waarbij ze met hoge precisie van een invoer naar een specifieke uitvoer verplaatsten. Ze leerden het ook om verschillende soorten lichtpatronen, bekend als Hermite–Gaussian-modi, te scheiden, een taak die normaal gesproken een speciaal hiervoor gebouwde, op maat gemaakte chip vereist. In een ander experiment configureerden ze het apparaat om matrix-vectorvermenigvuldiging uit te voeren, een wiskundige operatie die essentieel is voor optische computertechnologie, met behulp van willekeurige matrices. Het apparaat voerde deze taken uit met een zeer lage foutmarge, waarbij de ongewenste signaalverlekking, bekend als crosstalk, beperkt bleef tot niveaus van zelfs negatief eenentwintig decibel voor de herverdeling van de vier bundels.

Naast het louter herverdelen van licht, toonden de onderzoekers aan dat ze de controle konden hebben over hoe het apparaat zich gedraagt bij verschillende kleuren, of golflengten, van licht. Ze programmeerden de chip om identiek te werken of het licht nu bij 1500 nanometer of 1600 nanometer is, waardoor een apparaat ontstond dat robuust is tegen kleurveranderingen. Omgekeerd programmeerden ze het ook om te fungeren als een splitter die licht bij 1310 nanometer van licht bij 1550 nanometer scheidt, waarbij elke kleur naar een andere uitvoer wordt gestuurd. Deze dubbele capaciteit bewijst dat dezelfde fysieke plaat kan worden gevormd om kleurverschillen óf te negeren óf juist te exploiteren, afhankelijk van het geprojecteerde lichtpatroon.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voor de toekomst van de fotonica, waarbij de investering in het maken van een chip niet wordt verspild aan een enkele functie. In plaats van een fabriek die duizenden licht verschillende chips voor verschillende taken produceert, zou één enkel apparaat geproduceerd, gekarakteriseerd en vervolgens op aanvraag geconfigureerd kunnen worden om een groot aantal taken uit te voeren. Hoewel het huidige prototype een laboratoriumapparaat is dat externe lasers en camera's vereist om te werken, schetsen de onderzoekers een duidelijk pad om deze systemen sneller en energie-efficiënter te maken. Door de materialen en de manier waarop het licht wordt geprojecteerd te verbeteren, geloven zij dat deze programmeerbare platen uiteindelijk duizenden keren sneller kunnen werken dan ze nu doen, wat ze levensvatbaar maakt voor real-world toepassingen zoals datacenters en optische neurale netwerken. De belangrijkste les is dat de rigide, eenmalige aard van traditionele chipproductie niet langer een noodzaak is; licht kan nu worden gevormd en opnieuw gevormd op een enkel oppervlak, waardoor een statisch stuk hardware wordt veranderd in een dynamisch, multifunctioneel hulpmiddel.