Фотонные чипы могут рассчитать оптимальную форму света для беспроводных систем передачи данных нового поколения
Исследование Миланского политехнического университета, проведенное совместно с Высшей школой Святой Анны в Пизе, университетом Глазго и Стэнфордским университетом позволило создать фотонные чипы, которые математически рассчитывают оптимальную форму волнового фронта для наилучшего прохождения через любую среду.
Проблема не нова: свет чувствителен к препятствиям, даже очень маленьким. Подумайте, например, о том, как мы видим объекты, когда смотрим через матовое стекло или запотевшие очки. Эффект очень похож на луч света, несущий потоки данных в оптических беспроводных системах: информация хоть и сохраняется, но искажается, из-за чего ее чрезвычайно трудно восстановить.
Устройства, разработанные в рамках этого исследования, представляют собой небольшие кремниевые чипы. Они выступают в роли приемопередатчиков: работая в паре, они могут автоматически "вычислять", какой формы должен быть луч света, чтобы проходить через обычную среду с максимальной эффективностью. И это еще не все: они также могут генерировать множество перекрывающихся лучей, каждый из которых имеет свою форму, и направлять их так, чтобы они не мешали друг другу; таким образом, пропускная способность передачи данных значительно увеличивается, что и требуется для беспроводных систем следующего поколения.
"Наши чипы представляют собой процессоры, которые быстро выполняют вычисления со светом и практически не потребляют энергию. Оптические лучи преобразуются с помощью простых алгебраических операций, по сути, суммирования и умножения, выполняемых непосредственно над световыми сигналами. Далее сигнал передается микроантеннами, которые интегрированы в чипы. Эта технология обладает множеством преимуществ: чрезвычайно простая обработка, высокая энергоэффективность и огромная полоса пропускания, превышающая 5000 ГГц", – объясняет Франческо Моричетти (Francesco Morichetti), руководитель лаборатории фотонных устройств Миланского политехнического университета.
Чипы состоят из электрически настраиваемых интерферометров Маха-Цендера, которые могут самостоятельно изменяться на основе алгоритмов максимизации или минимизации мощности без внешних вычислений, калибровки или каких-либо предварительных знаний об оптической системе. Идентификация каналов передачи данных соответствует сингулярной декомпозиции всей оптической системы, автономно выполняемой фотонными процессорами.
Исследователи обнаружили, что шум между оптимизированными каналами, даже при наличии искажающих масок или частичных помех, находится ниже -30 дБ.
«Сегодня вся информация является цифровой, но на самом деле изображения, звуки и прочее по своей сути являются аналоговыми. Оцифровка действительно позволяет осуществлять очень сложную обработку, но по мере увеличения объема данных на эти операции требуется больше времени и энергии. Сегодня существует большой интерес к возвращению к аналоговым технологиям с помощью выделенных схем (аналоговых сопроцессоров), которые послужат основой для систем беспроводного соединения 5G и 6G будущего. Наши чипы работают именно так», — говорит Андреа Меллони (Andrea Melloni) – директор Polifab – центра микро- и нанотехнологий Миланского политехнического университета.
«Аналоговые вычисления с использованием оптических процессоров имеют решающее значение во многих задачах, включая математические ускорители для нейроморфных систем, высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект, квантовые компьютеры и криптографию, расширенные системы локализации, позиционирование и датчики и в целом во всех системах, где требуется обработка больших объемов данных на очень высокой скорости», – добавляет Марк Сорель (Marc Sorel), профессор электроники Института TeCIP (Институт телекоммуникаций, компьютерной инженерии и фотоники) Школы Святой Анны.
Статья опубликована в журнале Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01330-w
