Circuitos integrados fotônicos programáveis ​​(PPICs) processam ondas de luz para computação, detecção e sinalização de maneiras que podem ser programadas para atender a diversos requisitos. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk (DGIST), na Coreia do Sul, com colaboradores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), alcançaram um grande avanço na incorporação de sistemas microeletromecânicos em PPICs.



A pesquisa deles foi publicada na revista Nature Photonics .

“Os processadores fotônicos programáveis ​​prometem superar os supercomputadores convencionais, oferecendo capacidades de computação mais rápidas, eficientes e massivamente paralelas”, diz Sangyoon Han, da equipe DGIST. Ele enfatiza que, além do aumento das velocidades alcançadas com o uso da luz em vez da corrente elétrica, a redução significativa no consumo de energia e no tamanho dos PPICs poderia levar a grandes avanços em inteligência artificial, redes neurais, computação quântica e comunicações.

Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) no centro do novo avanço são pequenos componentes que podem interconverter alterações ópticas, eletrônicas e mecânicas para executar a variedade de funções mecânicas e de comunicação necessárias a um circuito integrado.

Os pesquisadores acreditam que são os primeiros a integrar tecnologias MEMS fotônicas baseadas em silício em chips PPIC que operam com requisitos de energia extremamente baixos.

“Nossa inovação reduziu drasticamente o consumo de energia para níveis de femtowatts, o que é mais de um milhão de vezes uma melhoria em comparação com o estado da arte anterior”, diz Han. A tecnologia também pode ser construída em chips até cinco vezes menores do que as opções existentes.

Uma chave para a redução dramática nos requisitos de energia foi afastar-se da dependência das mudanças de temperatura exigidas pelos sistemas "termópticos" dominantes actualmente em uso. Os minúsculos movimentos mecânicos necessários são alimentados por forças eletrostáticas – as atrações e repulsões entre cargas elétricas flutuantes.

Os componentes integrados aos chips da equipe podem manipular uma característica das ondas de luz chamada “fase” e controlar o acoplamento entre diferentes guias de onda paralelos, que guiam e restringem a luz. Estes são os dois requisitos mais fundamentais para a construção de PPICs. Esses recursos interagem com “atuadores” micromecânicos (essencialmente interruptores) para completar o circuito integrado programável.

A chave para o avanço tem sido aplicar conceitos inovadores à fabricação das peças necessárias à base de silício. Crucialmente, o processo de fabricação pode ser usado com tecnologia convencional de wafer de silício. Isto o torna compatível com a produção em larga escala de chips fotônicos essenciais para aplicações comerciais.

A equipe agora planeja refinar sua tecnologia para construir e comercializar um computador fotônico que superará o desempenho dos computadores eletrônicos convencionais em uma ampla variedade de aplicações. Han diz que exemplos de usos específicos incluem tarefas cruciais de inferência em inteligência artificial, processamento avançado de imagens e transmissão de dados em alta largura de banda.

“Esperamos continuar a ampliar os limites da tecnologia computacional, contribuindo ainda mais para o campo da fotônica e suas aplicações práticas na tecnologia moderna”, conclui Han.

Mais informações: Dong Uk Kim et al, Matrizes fotônicas programáveis ​​baseadas em elementos microeletromecânicos com consumo de energia em espera de nível femtowatt, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5
Fornecido pelo Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk (DGIST)