Algoritmit suunnittelemaan fotonisia piirejä

Nykypäivän televiestintää, laajamittaisia tekoälydatakeskuksia, kvanttiteknologioita ja muita järjestelmiä tukevat erittäin nopeat datankäsittelyominaisuudet ovat fotonisten mikrosirujen mahdollistamia.

Fotoniset mikrosirut koostuvat monista monimutkaisista osista, hilakytkimistä, jotka siirtävät valoa kuitujen ja aaltojohteiden välillä, rengasresonaattoreihin, jotka varastoivat valoa väliaikaisesti ja lisäävät sen intensiteettiä. Kunkin komponentin suunnitteluprosessi on aikaa vievä ja työläs, ja insinöörit aloittavat tyypillisesti tutusta geometriasta ja säätävät parametreja työn aikana.

Harvard SEAS:n apulaisprofessorin Kiyoul Yangin johtama tutkimusryhmä käytti käänteiseksi suunnitteluksi kutsuttua tekniikkaa epätavanomaiseen lähestymistapaan. He käänsivät perinteisen prosessin ylösalaisin ja määrittelivät ensin, mitä he halusivat valon tekevän.

Tietokonealgoritmi etsi sitten laajasta joukosta mahdollisia nanorakenteita juuri tätä toimintoa varten. Algoritmin löytämät muodot näyttävät usein epäsäännöllisiltä reikien ja harjanteiden kuvioilta, mutta ne ohjaavat valoa silti tarkasti sirun alueella.

”Käänteisestä suunnittelusta tulee myös käytännöllistä, kun valmistustodellisuudet sisällytetään optimointiin”, toteaa Yang.

Tiimi sovelsi käänteistä suunnittelua piinitridiin kun aiemmat lähestymistavat ovat keskittyneet pääasiassa piihin ja viime aikoina timanttiin, piikarbidiin ja litiumniobaattiin.

”Paksu piinitridi on useimpien käyttämiemme korkean suorituskyvyn integroitujen fotoniikkojen perusta, mutta tähän asti sen komponenttikirjasto on rajoittunut käsin suunniteltuihin malleihin”,Max Planckin Pascal Del'Haye sanoi. ”Nämä kompaktit, tietokoneella suunnitellut komponentit ovat tärkeä askel kohti tiheämmin integroituja epälineaarisia ja kvanttifotonisia piirejä.”

Tiimi suunnitteli, valmisti ja testasi kolmenlaisia toimintorakenteita: aallonpituuden jakajia, jotka erottavat valon värit; spatiaalisia moodilajittelijoita, jotka erottavat valon spatiaalisiin kanaviin; ja peilejä.

Yhtenä esimerkkinä käänteisesti suunnitellut peilit, joiden läpimitta on vain muutama mikrometri, heijastavat jopa 98,5 % tulevasta valosta ja estävät samalla muita avaruudellisia muotoja. Pareittain sijoitetut peilit muodostavat sirulle optisia onteloita, joissa valo kimpoaa peilien välillä yli 100 kertaa ennen kuin ne karkaavat.

Seuraava askel on yhdistää uudet komponentit epälineaarisiin optisiin piireihin. Näissä rakenneosissa sirulla kiertävä voimakas valo voi tuottaa optisia taajuuskampoja, joita käytetään tarkkuusmittauksissa, televiestinnässä ja kvanttiteknologioissa.

”Käänteinen suunnittelu antaa meille mahdollisuuden määritellä, mitä haluamme valon tekevän, ja optimointi löytää rakenteen, joka tekee sen, usein sellaisen, jota kukaan ihminen ei olisi piirtänyt”, sanoo Toby Bi, tutkimuksen toinen pääkirjoittaja ja Max Planck -instituutin tutkija.

Aiheesta aiemmin:

Käänteinen suunnittelu pelin muuttajana fysiikassa

Valoisampaa tietojenkäsittelyä