Изследователите са използвали ИИ алгоритъм, за да свият едновременно три ключови компонента на фотонните микрочипове – делителите на дължината на вълната, пространствените сортировачи на модове и огледалата. В някои случаи новите структури са били до 500 пъти по-компактни от традиционните си аналози, а формите им са били толкова необичайни, че би било трудно да се предложат с помощта на конвенционални инженерни методи.

Фотонен микрочип и генерирани от алгоритъм наноструктури

Фотонните чипове се различават от конвенционалните електронни чипове по това, че предават и обработват информацията, използвайки фотони, а не електрони. Това им позволява да обработват много големи потоци от данни, да намаляват загубите на енергия под формата на топлина и да предават множество информационни канали едновременно с различни дължини на вълните.

Върху такива чипове светлината преминава през микроскопични канали, наречени вълноводи. За да се контролират сигналите, са необходими допълнителни елементи: някои разделят светлината по дължина на вълната, други сортират различните пространствени режими, а огледалата образуват оптични резонатори.

Обикновено тези компоненти се проектират въз основа на добре познати геометрии и след това постепенно се оптимизират. Този процес отнема време и ограничава броя на формите, които инженерите могат реално да обмислят. Новата разработка използва нещо, наречено инверсен дизайн.

На алгоритъма са били зададени желаното поведение на светлината и производствените ограничения, след което системата сама е избрала геометрията. Всъщност изчислението е протекло в обратна посока: от желания резултат към структурата, която трябва да осигури този резултат.

Екипът е изработил компонентите от сравнително дебел силициев нитрид, с дебелина около 400–800 нанометра. Този материал е по-добър в улавянето на светлина във вълноводите и помага за намаляване на оптичните загуби.

Огледалата са били с дължина около 11 микрометра и са отразявали до 98,5% от входящата светлина, като същевременно са потискали нежеланите модове. Ако две такива огледала са поставени от двете страни на вълновод, светлината може да отскочи между тях повече от сто пъти, преди да излезе от кухината.

Делителят на дължината на вълната е направен с ширина около пет микрометра – тя е сравнима с размера на една единствена бактерия. Сортировчикът на пространствените режими е само малко по-голям. Именно тази миниатюризация освобождава място на чипа за други функционални елементи.

Въпреки че и трите компонента са демонстрирани поотделно, те все още не са комбинирани в напълно интегрирана фотонна схема, така че следващата стъпка ще бъде да се провери тяхната работа в цялостно устройство. Проучването показва, че алгоритмичният дизайн може да разшири границите на миниатюризацията, без да се налага ръчно сортиране на огромен брой възможни геометрии.