Inverse-designed subwavelength metamaterial 3×3 reconfigurable power distributor for high-density programmable photonic computing

Binnen de silicon chips die onze moderne wereld aandrijven, vervangt licht steeds vaker elektriciteit als drager van informatie. Deze verschuiving, bekend als fotonica, belooft computers die sneller en energie-efficiënter zijn omdat licht data kan verplaatsen zonder de hitte en weerstand die elektronische signalen vertragen. Een fundamentele flessenhals heeft echter het volledige potentieel van deze optische systemen tegengehouden. Decennialang waren de basiselementen die gebruikt worden om licht op een chip te routeren beperkt tot eenvoudige schakelaars die een lichtstraal naar slechts één van de twee mogelijke paden kunnen sturen. Deze tweeweg-beperking dwingt ingenieurs om complexe, uitgestrekte netwerken van componenten te bouwen om zelfs bescheiden berekeningen uit te voeren, wat kostbare ruimte inneemt en beperkt hoeveel rekenkracht er op een enkele chip gepakt kan worden. Naarmate de vraag naar snelle gegevensverwerking groeit, is de behoefte aan een compactere en flexibelere manier om licht te sturen urgent geworden.

Een team onderzoekers aan de Huazhong University of Science and Technology heeft nu een nieuwe aanpak gedemonstreerd die deze tweeweg-limiet doorbreekt. Ze hebben een piepklein, herconfigureerbaar apparaat gemaakt dat een enkele lichtstraal in drie afzonderlijke paden kan splitsen en de hoeveelheid licht die naar elk pad wordt gestuurd naar believen kan aanpassen. In tegen tegenstelling tot eerdere apparaten die een vast gedrag hadden zodra ze geproduceerd waren, kan dit nieuwe component dynamisch worden afgesteld met elektrische signalen. Door specifieke voltages toe te passen op minuscule verwarmingselementen op de chip, kunnen de onderzoekers de fase van het licht dat het apparaat binnenkomt veranderen, waardoor ze effectief beslissen hoeveel vermogen er naar elk van de drie uitgangskanalen gaat. Deze capaciteit transformeert het apparaat van een eenvoudige splitter naar een programmeerbaar instrument dat complexe wiskundige operaties direct met licht kan uitvoeren, een cruciale stap naar het bouwen van dichte, hoogwaardige optische computers.

Het geheim van deze prestatie ligt in een ontwerpstrategie genaamd inverse design, gecombineerd met een materiaalstructuur die een metamateriaal wordt genoemd. In plaats van te beginnen met een bekende vorm en deze aan te passen, gebruikten de onderzoekers een computeralgoritme om achteruit te werken vanuit het gewenste resultaat. Ze vroegen de computer om de meest efficiënte rangschikking van microscopische silicon features te vinden om een specifiek doel te bereiken: het nemen van licht van drie inputs en het verdelen over drie outputs in elke gewenste verhouding. De resulterende structuur is een metamateriaal, een door de mens gemaakt materiaal dat is ontworpen om eigenschappen te hebben die niet in de natuur voorkomen. In dit geval is het apparaat bedekt met een patroon van ongelooflijk fijne groeven, kleiner dan de golflengte van het licht zelf. Deze groeven fungeren als een geavanceerde lens die de lichtgolven met extreme precisie buigt en vormgeeft. Het volledige actieve gebied van het apparaat is zo klein dat het comfortabel op de punt van een menselijk haar zou passen, met een voetafdruk van slechts 4 bij 1,9 micrometer.

Om te bewijzen dat dit theoretische ontwerp in de echte wereld werkt, hebben het team de chip gefabriceerd en de prestaties getest. Ze voerden licht in het apparaat en pasten het voltage op de verwelingselektroden aan om te zien of ze de output konden controleren. De resultaten waren opmerkelijk. Het apparaat slaagde erin licht naar alle drie de uitgangspoorten te routeren, en door het voltage te veranderen, konden de onderzoekers de verdeling van het vermogen continu aanpassen. Ze waren in staat om ergens tussen een fractie van een procent tot bijna de gehele straal naar een enkel poort te sturen, waarbij het resterende licht onder de anderen werd verdeeld. Zo konden ze bijvoorbeeld 91,8% van het licht naar het middelste poort sturen terwijl ze heel weinig naar de zijkanten stuurden, of het licht bijna gelijkmatig over alle drie de paden verdelen. Dit niveau van controle werd bereikt zonder significant verlies van signaalsterkte, wat bewees dat het licht efficiënt werd herschapen in plaats van simpelweg geabsorbeerd of verstrooid.

Naast het simpelweg rondsturen van licht, lieten de onderzoekers zien dat dit apparaat als een brein voor een eenvoudige optische computer kon fungeren. Ze gebruikten de chip om verschillende soorten irisbloemen te classificeren op basis van hun fysieke metingen, een klassiek probleem in machine learning. Door de bloemgegevens om te zetten in specifieke voltage-instellingen voor het apparaat, sorteerde het licht dat de chip verliet zichzelf op natuurlijke wijze in de juiste categorie. Bij testen op een reeks bloemmonsters identificeerde het apparaat het type iris in bijna 89% van de gevallen correct. Dit toonde aan dat de hardware zelf de logica van een neuraal netwerk kon uitvoeren, waarbij beslissingen werden genomen op basis van de fysieke eigenschappen van licht in plaats van digitale code. Het team simuleerde ook een grotere versie van het apparaat met vier input- en outputpoorten. In deze computersimulaties herkende de vierpoortsversie handgeschreven cijfers met een nauwkeurigheid van 97%, wat suggereert dat het ontwerp kan worden opgeschaald om complexere taken aan te kunnen.

De implicaties van dit werk reiken veel verder dan bloemclassificatie. Door te bewijzen dat licht gesplitst en afgesteld kan worden in drie of meer paden binnen zo'n kleine ruimte, hebben de onderzoekers een belangrijke barrière weggenomen voor het opschalen van optische computing. Traditionele optische systemen vertrouwen op volumineuze componenten die te veel ruimte innemen om praktisch te zijn voor grootschalige integratie. Dit nieuwe apparaat, met zijn ultra-compacte grootte en het vermogen om on the fly te worden geprogrammeerd, biedt een weg om miljoenen van deze logische eenheden op een enkele chip te verpakken. Het suggereert een toekomst waarin optische computers gebouwd kunnen worden met een dichtheid en flexibiliteit die wedijveren met, en potentieel superieur zijn aan, de meest geavanceerde elektronische processors. De studie bevestigt dat door geavanceerde ontwerpalgoritmen te combineren met de unieke eigenschappen van metamaterialen, het mogelijk is om een nieuwe generatie fotonische tools te creëren die niet alleen kleiner zijn, maar ook slimmer, in staat om complexe berekeningen direct in de stroom van licht uit te voeren.