首款自校准可编程光子芯片面世

       澳大利亚莫纳什大学(Monash university)和墨尔本皇家理工大学(RMIT university)的研究团队开发了一种先进光子集成电路(PIC)，能够在数据“高速公路”之间架起桥梁。该团队表示，这将彻底改变当前光学芯片的连接方式，并用硅片薄片取代笨重的3D光学器件。日前，该研究发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志上。

       该研究能够加速人工智能全球化的发展，并并应用于多个现实领域，包括：

•        更安全的无人驾驶汽车：能够及时解读周围环境。
•        使人工智能能够更快速地诊断医疗状况。
•        令 Google Homes、Alexa 和 Siri 等应用程序的自然语言处理速度更快。
•        更小的网络交换机：用于重新配置承载互联网的光网络，以便更快地在需要的地方获取数据。

       据该项目的首席研究员、莫纳什大学电气和计算机系统工程系的Arthur Lowery 教授表示，该团队的最新成果补充了莫纳什大学 Bill Corcoran 博士之前的研究发现。据介绍，Bill Corcoran博士在 2020 年与 RMIT 合作，共同开发了一种新型光学微梳芯片，可以将流量压缩三倍通过单根光纤覆盖整个光纤网络（NBN），被认为是有史以来上实现的全球最快互联网传输速率，而且芯片仅有指甲大小。

自校准光子芯片

       光学微梳芯片在数据数据高速公路上建造了多条“车道”，目前自校准芯片已经连接所有车道的上下行“匝道”和“桥梁”， 并能够实现更大容量的数据移动。“我们展示了一种自校准可编程光子滤波器芯片，具有信号处理核心和用于自校准的集成参考路径，”Lowery 教授提到。

       自校准技术意义重大，因为它使得可调谐光子集成电路在现实世界中能够发挥真正的应用价值，包括根据颜色将信号切换到目的地的光通信系统、高速相似性计算（相关器）、用于化学或生物分析甚至是天文学的科学仪器。

       研究团队介绍称：“电子技术使用数字技术在无线电滤波器的稳定性也得以改进，因此许多手机能够共享相同的频谱。同样，该光学芯片具有类似的架构，但可以在太赫兹带宽的信号上进行工作。”

       自动驾驶汽车、遥控采矿和医疗设备等依赖互联网的新技术在未来将需要更快、更高的带宽。 而带宽的增加不仅仅是为了改进互联网传输所使用的光纤，还涉及提供多种颜色的紧凑型交换机，向多个方向发送数据，这样数据就可以同时传输到多个通道。

       来自墨尔本 InPAC 的 Arnan Mitchell 教授认为，上述研究是一项重大突破，该研究团队的光子技术目前已经足够先进，可以将真正复杂的系统集成在单个芯片上。其中一项技术突破是芯片能够使所有组件作为一个整体工作的片上参考系统，它将使我们能够通过快速重新配置承载互联网的光网络来解决其瓶颈问题，以便在最需要数据的地方获取数据。“

       光子电路能够操纵和路由信息的光通道，但它们也可以提供一些计算能力。比如模式搜索，它是许多应用的基础，涉及医疗诊断、自动驾驶汽车、互联网安全、威胁识别和搜索算法等方方面面。

       该研究的一个关键挑战是将所有光学功能集成到可以插入现有基础设施的设备上。“我们的解决方案是在制造后校准芯片，通过使用芯片上的参考，而不是使用外部设备对它们进行有效调整”，ARC 的研究员 Laureate Fellow教授说道。

       “我们利用因果关系——结果跟随原因，这意味着通过芯片路径的光学延迟可以从强度与波长的关系中唯一地推导出来，这比精确的时间延迟更容易测量。团队为芯片添加了一个参考路径并对其进行了校准。 这为我们提供了‘拨号’所需的所有设置以及所需的开关功能或光谱响应。” 该方法是使光子芯片实用化过程中的一个关键步骤。研究人员无需像调整旧收音机那样寻找设置，而是可以一次性调整芯片，从而实现数据流从一个目的地快速可靠地切换到另一个目的地。

       光子芯片的可靠性调谐开辟了许多其他应用，比如光学相关器，它可以迅速找到数据流中的数据模式，这也是该团队的一个研究方向。

       “随着我们将越来越多的台式设备集成到指甲大小的芯片上，使它们一起工作以达到它们更大时的速度和功能变得越来越困难。如果想要克服该挑战，一个能够自我校准的”智能“芯片显得尤为重要，这样所有组件都可以以他们所需的速度一致地运行，”澳大利亚阿德莱德大学的 Andy Boes 博士说。