Los circuitos integrados fotónicos programables (PPIC) procesan ondas de luz para computación, detección y señalización de maneras que pueden programarse para adaptarse a diversos requisitos. Investigadores del Instituto Daegu Gyeongbuk de Ciencia y Tecnología (DGIST), en Corea del Sur, con colaboradores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), han logrado un avance importante en la incorporación de sistemas microelectromecánicos en los PPIC.
Su investigación ha sido publicada en la revista Nature Photonics. .
"Los procesadores fotónicos programables prometen superar a los superordenadores convencionales, ofreciendo capacidades informáticas más rápidas, más eficientes y masivamente paralelas", afirma Sangyoon Han, del equipo DGIST. Destaca que, además del aumento de velocidades que se logra mediante el uso de luz en lugar de corriente eléctrica, la reducción significativa en el consumo de energía y el tamaño de los PPIC podría conducir a importantes avances en inteligencia artificial, redes neuronales, computación cuántica y comunicaciones.
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) en el corazón del nuevo avance son componentes diminutos que pueden interconvertir cambios ópticos, electrónicos y mecánicos para realizar la variedad de funciones mecánicas y de comunicación que necesita un circuito integrado.
Los investigadores creen que son los primeros en integrar tecnologías fotónicas MEMS basadas en silicio en chips PPIC que funcionan con requisitos de energía extremadamente bajos.
"Nuestra innovación ha reducido drásticamente el consumo de energía a niveles de femtovatios, lo que supone una mejora de más de un millón de veces en comparación con el estado de la técnica anterior", afirma Han. La tecnología también se puede integrar en chips hasta cinco veces más pequeños que las opciones existentes.
Una de las claves para la drástica reducción de las necesidades de energía fue dejar de depender de los cambios de temperatura que exigen los sistemas "termoópticos" dominantes actualmente en uso. Los pequeños movimientos mecánicos necesarios son impulsados por fuerzas electrostáticas:las atracciones y repulsiones entre cargas eléctricas fluctuantes.
Los componentes integrados en los chips del equipo pueden manipular una característica de las ondas de luz llamada "fase" y controlar el acoplamiento entre diferentes guías de ondas paralelas, que guían y restringen la luz. Estos son los dos requisitos más fundamentales para la construcción de PPIC. Estas características interactúan con "actuadores" micromecánicos (esencialmente interruptores) para completar el circuito integrado programable.
La clave del avance ha sido aplicar conceptos innovadores a la fabricación de las piezas necesarias basadas en silicio. Fundamentalmente, el proceso de fabricación se puede utilizar con la tecnología de obleas de silicio convencional. Esto lo hace compatible con la producción a gran escala de chips fotónicos esenciales para aplicaciones comerciales.
El equipo ahora planea perfeccionar su tecnología para construir y comercializar una computadora fotónica que superará a las computadoras electrónicas convencionales en una amplia variedad de aplicaciones. Han dice que los ejemplos de usos específicos incluyen las tareas de inferencia cruciales en inteligencia artificial, procesamiento avanzado de imágenes y transmisión de datos de gran ancho de banda.
"Esperamos seguir ampliando los límites de la tecnología computacional, contribuyendo aún más al campo de la fotónica y sus aplicaciones prácticas en la tecnología moderna", concluye Han.
Más información: Dong Uk Kim et al, Matrices fotónicas programables basadas en elementos microelectromecánicos con consumo de energía en espera de nivel de femtovatios, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk (DGIST)
