ИИ разработал компоненты микросхем в 500 раз меньшие, чем инженеры считали возможным

Учёные уменьшили размеры трёх компонентов, используемых в фотонных микросхемах, в 500 раз, что позволило освободить значительно больше места для других функций на кристалле. Это достижение стало возможным благодаря алгоритму искусственного интеллекта ^[1] (ИИ), который сгенерировал эти крошечные конструкции. Результат ^[2]исследователи охарактеризовали как «выходящий за пределы человеческой интуиции».

В то время как в традиционных микрочипах для передачи и обработки информации используются электроны, в фотонных микрочипах применяются частицы света (фотоны). Благодаря этому они могут обрабатывать и передавать данные гораздо быстрее, чем электронные чипы.

Вместо металлических проводов свет по фотонной микросхеме направляют каналы шириной в микрометр, называемые волноводами. Эти микросхемы также содержат разделители длин волн, сортировщики пространственных мод и зеркала — все эти элементы необходимы для разделения и направления различных длин волн и световых узоров в пределах площади, составляющей лишь долю ширины человеческого волоса.

В новом исследовании учёные использовали конструкции, сгенерированные ИИ, для изготовления этих трёх компонентов в ультракомпактном масштабе. Исследователи начали с того, что точно указали алгоритму, как именно компоненты должны воздействовать на свет, и задали определённые производственные ограничения, такие как пределы крутизны изгиба наноструктур. Затем алгоритм ИИ работал в обратном направлении, тестируя и дорабатывая различные конструкции, пока не нашёл тонкие наноструктуры, способные обеспечить желаемый результат.

«Обратное проектирование позволяет нам определить, что мы хотим, чтобы делал свет, а оптимизация находит структуру, которая это обеспечивает — зачастую такую, которую ни один человек бы не нарисовал», — заявил в своём заявлении первый автор исследования Тоби Би, научный ^[3] сотрудник Института науки о свете имени Макса Планка.

Чтобы ещё больше улучшить свои компоненты, команда также решила изготовить их из относительно толстого нитрида кремния — толщиной примерно от 400 до 800 нанометров по сравнению со стандартным кремнием толщиной от 150 до 400 нанометров — который меньше рассеивает свет и обеспечивает более сильное ограничение длины волны. Полученные зеркала, длиной около 11 мкм, отражали до 98,5% падающего света, одновременно блокируя нежелательные световые узоры.

Длиноволновый разветвитель имеет размеры, примерно равные размеру одной бактерии (диаметр около 5 мкм), а пространственный сортировщик мод — немного больше.

Хотя исследователи успешно продемонстрировали эти компактные компоненты по отдельности, они пока не объединили их в полноценную интегрированную оптическую схему. Достижение этой цели станет следующим шагом на пути к созданию полнофункциональных фотонных чипов, использующих повышенную плотность компонентов, которую обеспечивают эти конструкции.