由墨爾本莫納什大學(xué)和 RMIT 大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究找到了一種方法來(lái)創(chuàng)建先進(jìn)的光子集成電路，他們通過(guò)在數(shù)據(jù)高速公路之間架起橋梁，徹底改變當(dāng)前光學(xué)芯片的連接性，并用晶片薄硅片取代笨重的 3D 光學(xué)元件。

這一進(jìn)展發(fā)表在著名的《自然光子學(xué)》雜志上，（自校準(zhǔn)可編程光子集成電路https://www.nature.com/articles/s41566-022-01020-z）能夠加速人工智能的全球發(fā)展，并提供重要的現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用，例如：

• 更安全的無(wú)人駕駛汽車(chē)，能夠即時(shí)解讀周?chē)h(huán)境。
• 使人工智能能夠更快地診斷醫(yī)療狀況。
• 讓Google Homes、Alexa 和 Siri 等應(yīng)用程序的自然語(yǔ)言處理速度更快。
• 更小的交換機(jī)，用于重新配置承載互聯(lián)網(wǎng)的光網(wǎng)絡(luò)，以便更快地在需要的地方獲取數(shù)據(jù)。

無(wú)論是打開(kāi)電視還是讓衛(wèi)星保持正常運(yùn)行，光子學(xué)（光的科學(xué)）都在改變我們的生活方式。光子芯片可以將體積較大且笨重的儀器的處理能力轉(zhuǎn)變?yōu)橹讣状笮〉男酒?/p>

莫納什大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程系、現(xiàn)北京郵電大學(xué)的 Mike Xu 博士，莫納什大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程系的 Arthur Lowery 教授，以及最近在阿德萊德大學(xué)任職并且正在 RMIT 進(jìn)行這項(xiàng)研究的 Andy Boes 博士，在澳大利亞研究委員會(huì)的一個(gè)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目下構(gòu)思了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

Arnan Mitchell 教授和Guanghui Ren 博士設(shè)計(jì)了該芯片，以便為實(shí)驗(yàn)演示做好準(zhǔn)備。該項(xiàng)目的首席研究員、蒙納士大學(xué) ARC 桂冠研究員 Arthur Lowery 教授表示，這一突破補(bǔ)充了蒙納士大學(xué)的 Bill Corcoran 博士之前的發(fā)現(xiàn)，他在 2020 年與 RMIT 合作開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)微梳芯片，該芯片可以壓縮三倍的流量。整個(gè)NBN通過(guò)一根光纖，被認(rèn)為是世界上最快的互聯(lián)網(wǎng)速度，來(lái)自一個(gè)指甲大小的芯片。

光學(xué)微梳芯片構(gòu)建類(lèi)似于了高速公路的多條車(chē)道，現(xiàn)在自校準(zhǔn)芯片已經(jīng)創(chuàng)建了連接它們的上下坡道和橋梁，并允許更大的數(shù)據(jù)移動(dòng)。

“我們展示了一種自校準(zhǔn)可編程光子濾波器芯片，具有信號(hào)處理核心和用于自校準(zhǔn)的集成參考路徑，”Lowery教授解釋說(shuō)?！白孕?zhǔn)很重要，因?yàn)樗箍烧{(diào)諧光子集成電路在現(xiàn)實(shí)世界中有用：應(yīng)用包括根據(jù)顏色將信號(hào)切換到目的地的光通信系統(tǒng)、非常快速的相似性計(jì)算（相關(guān)器）、用于化學(xué)或生物分析的科學(xué)儀器，甚至是天文學(xué)。”

“電子產(chǎn)品使用數(shù)字技術(shù)在無(wú)線電濾波器的穩(wěn)定性方面看到了類(lèi)似的改進(jìn)，這導(dǎo)致許多手機(jī)能夠共享相同的頻譜塊：我們的光學(xué)芯片具有相似的架構(gòu)，但可以對(duì)具有太赫茲帶寬的信號(hào)進(jìn)行操作，”他評(píng)論道。

這一突破已經(jīng)醞釀了三年。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)、遙控采礦和醫(yī)療設(shè)備等依賴互聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)在未來(lái)將需要更快和更高的帶寬。帶寬的增加不僅僅是為了改進(jìn)我們的互聯(lián)網(wǎng)所用光纖通過(guò)的數(shù)據(jù)，它是關(guān)于提供多種顏色的緊湊型交換機(jī)，向多個(gè)方向發(fā)送數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)可以一次通過(guò)多個(gè)通道發(fā)送。

“這項(xiàng)研究是一項(xiàng)重大突破——我們的光子技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)足夠先進(jìn)，可以將真正復(fù)雜的系統(tǒng)集成在單個(gè)芯片上。設(shè)備可以具有允許其所有組件作為一個(gè)整體工作的片上參考系統(tǒng)的想法是一項(xiàng)技術(shù)突破，它將使我們能夠通過(guò)快速重新配置承載我們互聯(lián)網(wǎng)的光網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決互聯(lián)網(wǎng)瓶頸問(wèn)題，以便在哪里獲取數(shù)據(jù)它是最需要的，”InPAC的 Arnan Mitchell 教授說(shuō)。

光子電路能夠操縱路由信息的光通道，但它們也可以提供一些計(jì)算能力，例如搜索模式。模式搜索是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)：醫(yī)療診斷、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、互聯(lián)網(wǎng)安全、威脅識(shí)別和搜索算法。

芯片的快速可靠的重新編程使新的搜索任務(wù)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行編程。然而，這種制造需要精確到光的微小波長(zhǎng)（納米）的程度，目前這是困難且極其昂貴的——自校準(zhǔn)克服了這個(gè)問(wèn)題。

該研究的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將所有光學(xué)功能集成到可以“插入”到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備上。

“我們的解決方案是在制造后校準(zhǔn)芯片，通過(guò)使用片上參考而不是使用外部設(shè)備來(lái)調(diào)整它們的效果，”ARC 桂冠研究員勞瑞教授說(shuō)?！斑@表明通過(guò)芯片的路徑的光學(xué)延遲可以從強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系中唯一推導(dǎo)出來(lái)，這比精確的時(shí)間延遲更容易測(cè)量。我們?yōu)槲覀兊男酒砑恿艘粋€(gè)強(qiáng)大的參考路徑并對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)。這為我們提供了‘撥號(hào)’所需的所有設(shè)置以及所需的開(kāi)關(guān)功能或光譜響應(yīng)。”

該方法是使光子芯片實(shí)用的關(guān)鍵步驟。研究人員無(wú)需像調(diào)整舊收音機(jī)那樣尋找設(shè)置，而是可以一步調(diào)整芯片，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流從一個(gè)目的地快速可靠地切換到另一個(gè)目的地。

光子芯片的可靠調(diào)諧開(kāi)辟了許多其他應(yīng)用，例如光學(xué)相關(guān)器，它幾乎可以立即找到數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)模式，例如圖像——該小組也一直在研究這一點(diǎn)。

“隨著我們將越來(lái)越多的芯片集成到臺(tái)式設(shè)備上，讓它們一起工作以達(dá)到它們的最強(qiáng)速度和功能，這項(xiàng)操作變得越來(lái)越困難。我們通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)算力更強(qiáng)的芯片來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，可以進(jìn)行自我校準(zhǔn)，這樣所有組件都可以以他們需要的速度一致地運(yùn)行，”阿德萊德大學(xué)的 Andy Boes 博士說(shuō)。

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