تراشه فوتونیکی برنامه پذیر برای مهار سرعت نور

تصور کنید نوار باریکی از مدار فوتونیکی بتواند یک پرتو نور را به فرمان شما وادار به مکث کند. شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد، اما پژوهشگران در سئول تراشه‌ای برنامه‌پذیر ساخته‌اند که دقیقا همین کار را انجام می‌دهد: پالس‌های نوری را درون یک تراشه فوتونیکی واحد به تأخیر می‌اندازد، بازشکل‌دهی می‌کند و حتی فرکانس آن‌ها را تغییر می‌دهد.

اصلا چرا باید نور را کند کرد؟ چون سرعت همیشه بهترین دوست پردازش اطلاعات نیست. نور حجم عظیمی از داده را منتقل می‌کند، اما همین سرعت بالا انجام کارهایی مانند نگه‌داری، همگام‌سازی یا مسیریابی سیگنال‌ها را در شبکه‌های نوری و سخت‌افزارهای رایانشی نسل آینده پیچیده می‌سازد. بافرها و مبدل‌های الکترونیکی تأخیر ایجاد می‌کنند و انرژی زیادی مصرف می‌کنند. یک بافر نوری فشرده و بازپیکربندی‌پذیر راهکاری بسیار پاک‌تر و کارآمدتر خواهد بود.

در اینجا گروهی به سرپرستی نام‌کیو پارک و سون‌کیو یو از دانشگاه ملی سئول، با همکاری شیانجی پیائو از دانشگاه سئول، وارد میدان شده‌اند. آن‌ها یکی از روش‌های شناخته‌شده در فوتونیک، یعنی شفافیت القاشده با تشدیدگرهای جفت‌شده یا «کریت» را از نو بازاندیشی کردند و با افزودن اجزای بازپیکربندی‌پذیر، دستگاه را پس از ساخت نیز انعطاف‌پذیر نگه داشتند. نتیجه، یک مدار مجتمع فوتونیکی برنامه‌پذیر است که می‌تواند سرعت عبور نور و شکل سیگنال منتقل‌شده را تنظیم کند.

کریت سنتی بر تداخل میان دو حالت تشدیدی تکیه دارد: یک مُد روشن که با ورودی جفت می‌شود و یک مُد تاریک که چنین جفت‌شدگی‌ای ندارد. در روش‌های رایج، این برهم‌کنش‌ها پس از ساخت تراشه ثابت می‌مانند. گروه سئول مُدهای روشن و تاریک را نه به‌عنوان محدودیت‌هایی جداگانه، بلکه به‌عنوان یک پارامتر شکل‌پذیر واحد در نظر گرفت و سپس دو جفت‌کننده حلقه‌ای قابل تنظیم را به شبکه تشدیدگرها افزود. اثر این تغییر چشمگیر است. در حالی که طراحی‌های پیشین تنها یک تأخیر یا پنجره فرکانسی از پیش تثبیت‌شده ارائه می‌دادند، معماری تازه به مهندسان اجازه می‌دهد پهنای باند عبور، زمان تأخیر و حتی تبدیل میان فرکانس‌ها را هنگام کار مدار تنظیم کنند.

آن‌ها به ترسیم نمودارهای مداری بسنده نکردند. شبیه‌سازی‌های عددی دقیق نشان می‌دهد این کنترل‌ها در شرایط واقعی نیز کارآمد هستند. مدل‌های الکترومغناطیسی سه‌بعدی نشان می‌دهند این طراحی با پلتفرم‌های فوتونیکی نیترید سیلیکون (Si3N4) سازگار است؛ موادی که هم‌اکنون در بسیاری از تراشه‌های فوتونیکی استفاده می‌شوند. این گروه همچنین طرح خود را در برابر واقعیت‌های پیچیده ساخت و بهره‌برداری آزمود: اتلاف ماده، ناهماهنگی کیفیت تشدیدگرها، پس‌پراکندگی، جفت‌شدگی‌های ناقص، رانش فاز در حلقه‌ها و تداخل حرارتی. عملکرد مدار در برابر این نابهینگی‌ها همچنان پایدار باقی ماند.

جمله‌ها کوتاه‌اند. پیامدها بزرگ. یک تراشه برنامه‌پذیر واحد می‌تواند به‌عنوان بافر نوری متغیر، همگام‌ساز زمانی برای مدارهای فوتونیکی پیچیده و مبدل فرکانس عمل کند، آن هم بدون افزودن اجزای جانبی حجیم. برای مراکز داده و سرورهای هوش مصنوعی که هر روز انرژی بیشتری مصرف می‌کنند، واگذاری بخشی از وظایف از الکترون‌ها به فوتون‌ها جذاب است، البته فقط زمانی که بتوان نور را روی خود تراشه مدیریت کرد. این پژوهش مسیری عملی برای رسیدن به چنین هدفی ارائه می‌دهد.

مقاله‌ای که در نشریه «ادونسد ساینس» منتشر شده نشان می‌دهد دو جفت‌کننده تنظیم‌پذیر ساده می‌توانند توانایی‌های یک شبکه تشدیدگر را بسیار فراتر از خطوط تأخیر ایستا گسترش دهند. پژوهشگران با کنترل تداخل میان مُدها می‌توانند پهنای باند عبور را بازشکل‌دهی کنند و زمان‌بندی پالس را در سراسر زنجیره‌ای از تشدیدگرهای جفت‌شده هدایت کنند، نه فقط درون یک حفره جداافتاده. این انعطاف‌پذیری در سطح سامانه زمانی اهمیت پیدا می‌کند که سیگنال‌های متعدد باید در یک شبکه نوری با هم همگام شوند.

البته ظرافت‌های فنی نیز وجود دارد. کند کردن پویای نور اغلب هزینه‌هایی به همراه دارد: کاهش انتقال، اعوجاج یا حساسیت بیشتر به اتلاف. شبیه‌سازی‌های گزارش‌شده در این پژوهش نشان می‌دهند معماری جدید کریت می‌تواند تأخیر را در حالی تنظیم کند که گذردهی قابل قبول حفظ شود و حتی تبدیل فرکانس را بدون اجزای اضافی ممکن سازد. این ترکیب، یعنی تأخیر تنظیم‌پذیر همراه با کنترل طیفی، می‌تواند طراحی‌های فوتونیکی را در جاهایی که فضا، انرژی و تأخیر اهمیت حیاتی دارند ساده‌تر کند.

سونگ‌کیون پارک و بوم‌جون چه، نویسندگان هم‌اول مقاله، تأکید کردند که بینش کلیدی در تفسیر تازه‌ای از فیزیک تشدیدگر نهفته بود. آن‌ها با نگاه کردن به حالت‌های روشن و تاریک به‌عنوان یک آزادی طراحی یکپارچه، رفتارهایی را آشکار کردند که تفکر متعارف تاکنون دست‌نخورده باقی گذاشته بود. این گروه قصد دارد از مرحله شبیه‌سازی به ساخت برسد، این مفهوم را به‌سوی مدارهای فوتونیکی برنامه‌پذیر بزرگ‌تر مقیاس‌دهی کند و آن را با فوتونیک سیلیکونی و پلتفرم‌های هوش مصنوعی فوتونیکی یکپارچه سازد.

می‌توان آن را تجسم واقعی اپتیک تعریف‌شده با نرم‌افزار دانست: یک تراشه که می‌تواند در میدان کاربری دوباره مأموریت بگیرد، سربار سخت‌افزاری و مصرف انرژی را کاهش دهد و در عین حال قابلیت‌های بیشتری را در فضایی کوچک‌تر جای دهد. همین ایده‌های طراحی می‌توانند فراتر از کریت نیز به سامانه‌های دیگر مبتنی بر تشدیدگر اعمال شوند و جعبه‌ابزار پردازش سیگنال نوری را گسترده‌تر کنند.

چالش‌های عملی همچنان باقی است: تلرانس‌های ساخت، پایداری حرارتی در آرایه‌های بزرگ و اعتبارسنجی آزمایشی در مقیاس بالا. با این حال، مقاله مسیر روشنی را ترسیم می‌کند. اگر این مفهوم از شبیه‌سازی به خط تولید تراشه منتقل شود، مراکز داده آینده، سامانه‌های خودران و شبکه‌های نوری ممکن است به تراشه‌هایی تکیه کنند که نور را با انعطاف‌پذیری کدنویسی هماهنگ می‌کنند. سرعت رسیدن این هماهنگی به مرحله کاربردی به گام بعدی بستگی دارد: تبدیل این مدارهای شبیه‌سازی‌شده به دستگاه‌هایی که بتوان آن‌ها را در دست گرفت.