Processador de luz é projetado de trás para frente, do resultado até o componente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/08/2022

A luz é muito rápida, mas exige que se projete cada componente individualmente.
[Imagem: Huixin Qi et al. - 10.29026/oea.2022.210061]

Projeto de circuitos integrados fotônicos

Os processadores fotônicos fazem cálculos na velocidade da luz, mas projetá-los e fabricá-los não é tão simples quanto ir adicionando transistores, resistores e capacitores, como nos processadores eletrônicos.

Acontece que, para utilizar fótons em vez de elétrons como portadores de informação, os circuitos integrados de luz usam componentes como microrressonadores em anel, cristais fotônicos, polaritons de plásmons de superfície e metamateriais.

Projetar cada um deles envolve resolver as equações de Maxwell, em cálculos que incluem o método de elementos finitos e o método de diferenças finitas no domínio do tempo.

Porém, isso envolve um longo processo, exigindo cálculos repetitivos, ajustando manualmente os parâmetros das nanoestruturas, como a largura dos guias de onda, o diâmetro dos espaçamentos abertos, o tamanho dos micro-anéis etc.

Cada componente deve manipular precisamente a luz, para que o cálculo apareça pronto na saída.
[Imagem: Huixin Qi et al. - 10.29026/oea.2022.210061]

Dê-me o resultado e eu lhe dou o circuito

Mas Huixin Qi e colegas da Universidade de Pequim, na China, demonstraram que dá para fazer ao contrário: É possível partir das características que se deseja de cada feixe de luz, em cada ponto do circuito, e então usar um algoritmo para calcular quais nanoestruturas irão produzir esses sinais.

A equipe demonstrou que esse "método de projeto inverso" pode otimizar o desempenho de um único componente ou otimizar a função de todo o circuito, incluindo acopladores de grade de alto desempenho, demultiplexador de comprimento de onda, divisor de potência, divisor de feixe de polarização, etc.

Eles demonstraram experimentalmente a abordagem projetando e construindo um circuito fotônico integrado de alta densidade, ultrarrápido e com consumo de energia ultrabaixo. Especificamente nesta demonstração eles aprimoraram o algoritmo de projeto inverso para otimizar o desempenho do circuito inteiro, e não de cada componente.

É possível configurar o algoritmo para uma eficiência geral ou para a eficiência máxima de cada componente.
[Imagem: Huixin Qi et al. - 10.29026/oea.2022.210061]

Grande, mas com muitas vantagens

O circuito de demonstração é composto por três componentes com duas chaves totalmente ópticas, que controlam os estados de entrada de uma porta lógica XOR. O circuito inteiro mede apenas 2,5 µm × 7 µm, e cada componente mede 2 µm × 2 µm, com um espaçamento entre componentes adjacentes de 1,5 µm.

Embora seja tudo muito grande quando se compara com os processadores eletrônicos mais modernos, este é um progresso notável no campo dos processadores de luz, que compensam essa maior dimensão com cálculos virtualmente instantâneos, um gasto mínimo de energia e praticamente nenhum aquecimento.

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