Учёные создали первую в мире ПЛИС для кремниевой фотоники — она сулит революцию в квантовой и классической электронике

Международная группа учёных представила первый мире программируемый оптический чип, который уже назвали фундаментальным сдвигом в разработке квантовой и обычной электроники. В оптике всегда работало ограничение: один чип — одна функция. Оптический чип с программируемыми функциями принесёт гибкость в оптические схемы и откроет для фотоники новые горизонты в науке, промышленности и даже в повседневной жизни.

Устройство разработано исследователями из NTT Research, Корнеллского (Cornell) и Стэнфордского (Stanford) университетов.

«Эти результаты знаменуют собой отход от традиционной парадигмы нелинейной оптики, в которой функции устройств фиксируются на этапе производства, — сказал Рётацу Янагимото (Ryotatsu Yanagimoto), учёный из NTT Research, который руководил исследованием под руководством доцента Корнеллского университета Питера Л. МакМахона (Peter L. McMahon). — Это расширяет возможности применения нелинейной фотоники в ситуациях, когда быстрая перенастройка устройств и высокая производительность не просто удобны, а необходимы».

До сих пор для реализации каждой новой оптической функции требовалось отдельное устройство, что увеличивало стоимость и сложность производства таких схем, а также снижало выход годной продукции из-за производственных дефектов. В обычной кремниевой электронике от подобных ограничений избавили ПЛИС или FPGA, однако фотоника требует иного подхода. В качестве основы для оптической «ПЛИС» учёные создали базовую схему — ядро — из нитрида кремния. Этот материал прозрачен для инфракрасного диапазона и способен работать как линзы из стекла для видимого света.

Впрочем, программируемая фотонная схема работает иначе. На чипе создаются волноводы, которые всегда остаются неизменными. Но на них проецируется свет — импульсы лазера, который, по сути, выступает в роли пространственного модулятора. Так создаются зоны с нелинейной интенсивностью света, со сдвигами фаз или области, в которых проявляется интерференция световых волн «схемы» и полезного сигнала.

За счёт возбуждения электронов в волноводах и благодаря различным поверхностным эффектам при стимуляции строго заданными паттернами наложенного света схема выполняет ту или иную заданную функцию. Для её перепрограммирования достаточно «посветить» на чип определённым узором — переключение происходит мгновенно. Используя предложенный метод, учёные продемонстрировали произвольное формирование импульсов, настраиваемую генерацию второй гармоники, голографическую генерацию пространственно-спектрально структурированного света и изменяемое проектирование нелинейно-оптических функций в режиме реального времени.

«Это открытие в корне меняет принцип работы нелинейных фотонных устройств, — сказал Янагимото. — Впервые появилась возможность использовать нелинейную оптику в крупномасштабных оптических схемах, реконфигурируемом квантовом преобразовании частоты, синтезаторах произвольной оптической формы сигнала и широко настраиваемых классических и квантовых источниках света».

Импульс от этого изобретения может распространиться далеко за пределы лаборатории. Согласно отчёту IDTechEx, к 2035 году годовой доход от рынка фотонных интегральных схем может превысить $50 млрд. Этот рынок охватывает передачу данных, телекоммуникации, квантовые технологии, датчики и лидары. Возможность программировать фотонные устройства после их изготовления может значительно сократить расходы на исследования, разработки и производство, одновременно повышая эффективность. Это также сделает оптические системы более компактными и энергоэффективными за счёт сокращения количества необходимых компонентов.

Подобная гибкость может привести к прорывам в таких областях, как квантовые вычисления, где программируемые квантовые источники света и преобразователи частоты способны повысить эффективность вычислений и сетевых подключений. Это также может увеличить производительность телекоммуникационных систем за счёт использования настраиваемых источников света для сетей 5G и будущих систем 6G.

Исследователи видят огромный потенциал в своей разработке. В дальнейшем учёные планируют изучить, как программируемые нелинейности в оптике могут проявить себя в более широком спектре материалов и как эта технология может быть развита для выполнения функций на квантовом уровне.