Programmierbare photonische Schaltkreise: ein Chip, viele Anwendungsmöglichkeiten

Die Photonik, die Wissenschaft der Erzeugung, Wahrnehmung und Manipultion von Lichtpartikeln, bildet die Grundlage für viele der Technologien, die wir in unserem Alltag nutzen. In dem aufstrebenden Forschungsfeld der integrierten Photonik können immer größere und komplexere optische Schaltkreise in die Oberfläche von Chips eingebaut werden. Die Mehrzahl dieser Schaltkreise wird derzeit für bestimmte Anwendungen in der Telekommunikation, der Sensorik und in anderen Gebieten entwickelt. Doch die Photoniktechnologie findet in immer mehr Bereichen Anwendung. Aus diesem Grund benötigen wir „optische ‚Allzweckschaltkreise‘, die direkt von den Endnutzenden programmiert werden können“, heißt es in einer Pressemitteilung, die auf der Website der Polytechnischen Universität Mailand, einem Projektpartner des EU-finanzierten Projekts Super-Pixels (Super-Pixels: Redefining the way we sense the world.), veröffentlicht wurde.

Das Potenzial solcher programmierbarer photonischer Schaltkreise steht im Mittelpunkt einer Studie, welche teilweise von Super-Pixels und den EU-finanzierten Projekten PhotonICSWARM, MORPHIC, UMWP-CHIP und FPPAs unterstützt wurde. In der Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Nature“, werden die neuesten Entwicklungen in dieser aufstrebenden Technologie und die potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen diskutiert.Programmierbare photonische Schaltkreise sind die optische Version feldprogrammierbarer Gate-Arrays (integrierter elektronischer Schaltkreise, die so konstruiert sind, dass sie nach ihrer Fertigung von den Nutzenden konfiguriert werden können). Die Tatsache, dass ein solcher optischer Schaltkreis viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hat, macht die Technologie zugänglicher und senkt die Kosten sowie die Forschungs- und Entwicklungszeit.

Laut der Pressemitteilung besteht die am häufigsten angewendete Strategie für die Erstellung dieser Schaltkreise in der Einrichtung miteinander verbundener optischer Pisten (Netz) auf einem photonischen Chip. Da die Netzknoten mittels Software und Algorithmen konfiguriert und verwaltet werden können, kann das Licht schnell und ohne hohen Energieverbrauch gesteuert werden, um die erwünschte Funktion auszuführen. Um die Funktion des Schaltkreises zu ändern, muss dieser dann lediglich umprogrammiert werden.

„Mit demselben optischen Schaltkreis können wir wahlweise mathematische Operationen ausführen, künstliche Intelligenz und Systeme maschinellen Lernens nutzen, Netzwerke aus On-Chip-Sensoren und Bildgebungssystemen erstellen sowie Quantenzustände des Lichts manipulieren. Außerdem wird die schnelle Annäherung zwischen elektronischen und photonischen Technologien bald dazu führen, dass all das auf demselben Silizium-Chip möglich sein wird“, meint Prof. Francesco Morichetti von der Polytechnischen Universität Mailand in derselben Pressemitteilung.

Prof. Andrea Melloni, Leiter des Laboratoriums für photonische Geräte an derselben Universität, beobachtet Folgendes: „Noch ist es zwar zu früh, zu glauben, dass photonische Geräte so fortgeschritten sind, dass sie mit Licht auf ähnliche Weise operieren wie derzeitige elektronische Prozessoren. Doch wir sind der Möglichkeit sehr nahegekommen, programmierbare photonische Ko-Prozessoren zu erstellen, die in der Lage sind, Daten im optischen Bereich zu verarbeiten, um Klassen von Operationen überaus effizient auszuführen.“

Das Projekt Super-Pixels plant, kooperativ eine neue Generation von Sensorplattformen zu entwickeln, welche unsere Art, Licht zu verarbeiten, revolutionieren wird. Das Projekt endet im August 2022.

Weitere Informationen:

Super-Pixels Projektwebsite