【光电进展】无光刻光子芯片为人工智能提供速度和准确性

据近日报道，宾夕法尼亚大学的研究人员首次创造了一种光子器件，无需光刻即可提供可编程的片上信息处理，为AI应用提供准确性和灵活性超强的光子速度。

光子芯片，即采用光子而不是电子的集成电路。由于其固有的高速、大带宽和无限并行性，对于缓解不断增长的数据流量的驱动力至关重要，而传统电路可能难以处理负荷。用于机器学习应用的光子芯片面临着复杂的制造过程的障碍，其中光刻图案是固定的，可重新编程性有限，容易出错或损坏，而且价格昂贵。

与普通光刻方法相比，该项目的方法取决于利用材料折射率的“假想”衰减分量，在III-V半导体材料的无图案区域上创建光学增益的空间图案的方式，该材料没有预定义的特征，而普通光刻方法依赖于调制相同折射率属性的“真实”传统维度。

研究人员展示了一种虚构指数驱动的方法，来定制光增益分布以合理地执行规定的光响应，并配置所需的光子功能以路由和切换光信号。利用其实时可重构性，该团队实现了具有非凡灵活性的光子神经网络，以高精度进行原位元音识别训练。免光刻特性固有的可编程性和多功能性可以导致集成光子信号处理的新范例，以执行和重新配置复杂的计算算法，加快信息处理速度以满足长期性能要求。

基于硅的电子系统已经改变了计算领域。但它们有明显的局限性：处理信号速度慢、以串行方式方式处理数据、小型化程度不够。光子学是最有前途的替代方案之一，因为它可以克服所有这些缺点。

UPenn大学的Liang Feng表示，"但是用于机器学习应用的光子芯片面临着复杂制造过程的障碍，在该过程中，光刻图案是固定的、可重新编程的能力有限、容易出错或损坏并且价格昂贵。通过消除对光刻的需求，我们正在创建一个新的范例。我们的芯片克服了这些障碍，并提供了更高的准确性和最终的可重新配置性，因为它消除了预定义功能的各种限制。"

如果没有光刻，这些芯片将成为适应性强的数据处理引擎。由于图案不是预先定义和蚀刻的，因此该设备本质上没有缺陷。更重要的是，光刻技术的缺乏使微芯片具有可重新编程性，无论任务简单（输入少，数据集小）还是复杂（输入多，数据集大），都能够定制其激光铸造图案以获得最佳性能。

正是对这种平板材料特性的操纵是研究团队在将激光投射到动态可编程模式以重新配置光子信息处理器的计算功能方面取得突破的关键。这种可重构性对于实时机器学习和人工智能至关重要。

UPenn大学的Marco Menarini解释，"传统的光子芯片是基于无源材料的技术，这意味着它的材料会散射光，来回反射光。我们的材料是有源的。泵浦光束改变了材料，使得当信号光束到达时，它可以释放能量并增加信号的幅度。"

（八三五八所 秦茜蓉）

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