Herprogrammeerbare lichtchip moet basis leggen voor snellere optische computers

Elektronen maken plaats voor licht

Computers verplaatsen informatie al decennia met elektronen door metalen draadjes. Naarmate chips en AI-systemen groeien, kost dat steeds meer stroom en warmte, en loopt de hoeveelheid data die tegelijk kan worden verstuurd tegen een grens aan. Fotonica belooft een oplossing: in plaats van elektronen gebruikt deze techniek lichtdeeltjes om data te vervoeren. Licht kan enorme hoeveelheden informatie razendsnel verplaatsen en wekt daarbij veel minder warmte op dan stroom door metaal.

Toch is snelheid niet het enige dat telt in een computer. Signalen moeten vaak op precies het juiste moment samenkomen, bijvoorbeeld omdat ze eerst via verschillende paden een eigen bewerking hebben ondergaan. Elektronica kan zulke signalen makkelijk vertragen, bufferen of synchroniseren. Voor licht is dat lastiger: de snelheid ervan valt niet te veranderen, dus moeten ingenieurs met slimme omwegen werken om lichtpulsen toch op tijd te laten aankomen.

Een chip die zijn eigen vertraging kan instellen

Een bekende oplossing heet coupled-resonator-induced transparency, afgekort CRIT. Deze techniek maakt gebruik van piepkleine optische resonatoren: ringvormige structuurtjes waarin licht van een bepaalde golflengte blijft rondcirkelen. Door de manier waarop deze ringen met elkaar zijn verbonden, ontstaat een smal 'venster' waarin licht van een specifieke frequentie wordt doorgelaten, maar dan met een flinke vertraging. Vergelijk het met een ingewikkelde rotonde die het verkeer dwingt om vertraging op te lopen voordat het er precies op tijd weer uitrijdt.

Het probleem met bestaande CRIT-chips is dat hun eigenschappen vastliggen zodra ze zijn gefabriceerd. Wil je een andere vertraging of golflengte, dan is meestal een compleet nieuwe chip nodig. De onderzoekers van Seoul National University en de University of Seoul lossen dat op door twee instelbare koppelelementen toe te voegen aan het resonatorennetwerk. Door deze te verstellen, verandert de wisselwerking tussen de zogeheten 'bright mode' en 'dark mode' van het systeem, de twee lichttoestanden die samen bepalen hoe sterk en hoe lang een signaal wordt vastgehouden. Zo kan dezelfde chip naar wens de breedte van het doorlaatvenster, de sterkte van het signaal en de duur van de vertraging aanpassen, zelfs terwijl hij in bedrijf is.

Nog alleen op papier, maar wel realistisch

Het onderzoek is vooralsnog theoretisch: er is nog geen werkend prototype gebouwd. Om te checken of het ontwerp de praktijk zou overleven, simuleerden de wetenschappers de chip op een platform van siliciumnitride, een veelgebruikt materiaal in de chipindustrie. Daarbij hielden ze rekening met realistische fouten, zoals materiaalverlies, kleine verschillen tussen resonatoren en ongewenste warmte-overdracht tussen naburige onderdelen. Volgens de onderzoekers bleef de chip ook onder die minder ideale omstandigheden goed werken, wat erop wijst dat het ontwerp met bestaande fabricagetechnieken te bouwen is.

"Dit onderzoek is belangrijk omdat het een nieuw ontwerpprincipe voorstelt waarmee de stroom van licht in fotonische geïntegreerde schakelingen naar wens kan worden aangepast, wat de ontwerpvrijheid flink vergroot", zegt hoogleraar Namkyoo Park van Seoul National University. Het team wil de komende jaren toewerken naar een echt prototype en het concept opschalen naar grotere, programmeerbare lichtcircuits. Als dat lukt, kan de chip in de toekomst helpen bij het synchroniseren van lichtsignalen in optische communicatienetwerken en fotonische AI-processoren.