Cientistas criaram o primeiro FPGA do mundo para fotônica de silício — ele promete uma revolução na eletrônica quântica e clássica.

Uma equipe internacional de cientistas revelou o primeiro chip óptico programável do mundo, que já foi aclamado como uma mudança fundamental no desenvolvimento da eletrônica quântica e convencional. A óptica sempre se limitou a um chip, uma função. Um chip óptico com funções programáveis ​​trará flexibilidade aos circuitos ópticos e abrirá novos horizontes para a fotônica na ciência, na indústria e até mesmo na vida cotidiana.

Fonte da imagem: Grok 3/3DNews gerado por IA

O dispositivo foi desenvolvido por pesquisadores da NTT Research, da Universidade Cornell e da Universidade Stanford.

“Esses resultados marcam um rompimento com o paradigma tradicional da óptica não linear, no qual as funções do dispositivo são fixadas na fase de fabricação”, disse Ryotatsu Yanagimoto, cientista da NTT Research que liderou o estudo sob a orientação do Professor Associado Peter L. McMahon, da Universidade Cornell. “Isso expande a aplicação da fotônica não linear para situações em que a reconfiguração rápida do dispositivo e o alto desempenho não são apenas convenientes, mas essenciais.”

Até agora, a implementação de cada nova função óptica exigia um dispositivo separado, o que aumentava o custo e a complexidade da fabricação desses circuitos e reduzia o rendimento devido a defeitos de fabricação. Na eletrônica de silício convencional, os FPGAs ou matrizes de portas programáveis ​​em campo (FPGAs) eliminaram essas limitações, mas a fotônica requer uma abordagem diferente. Como base para um “FPGA” óptico, os cientistas criaram um circuito básico — um núcleo — feito de nitreto de silício. Este material é transparente à luz infravermelha e pode atuar como uma lente de vidro para a luz visível.

No entanto, um circuito fotônico programável opera de forma diferente. Guias de onda são criados no chip, que permanecem sempre inalterados. Mas a luz — pulsos de laser — é projetada sobre eles, atuando essencialmente como um modulador espacial. Isso cria zonas de intensidade de luz não linear, deslocamentos de fase ou regiões onde ocorre interferência entre as ondas de luz do “circuito” e o sinal útil.

Por meio de excitaçãoElétrons em guias de onda e vários efeitos de superfície, quando estimulados por padrões precisamente definidos de luz sobreposta, permitem que o circuito execute uma função específica. Reprogramá-lo requer simplesmente a projeção de um padrão específico no chip — a comutação ocorre instantaneamente. Usando o método proposto, os cientistas demonstraram a geração de pulsos arbitrários, a geração ajustável de segundo harmônico, a geração holográfica de luz estruturada espacialmente espectralmente e o design variável de funções ópticas não lineares em tempo real.

“Esta descoberta muda fundamentalmente o princípio de operação de dispositivos fotônicos não lineares”, disse Yanagimoto. “Pela primeira vez, é possível usar óptica não linear em circuitos ópticos de larga escala, conversão de frequência quântica reconfigurável, sintetizadores de formas de onda ópticas arbitrárias e fontes de luz clássicas e quânticas altamente ajustáveis.”

O impacto desta invenção pode se estender muito além do laboratório. De acordo com um relatório do IDTechEx, o mercado de circuitos integrados fotônicos pode ultrapassar US$ 50 bilhões em receita anual até 2035. Este mercado abrange comunicações de dados, telecomunicações, tecnologias quânticas, sensores e lidar. A capacidade de programar dispositivos fotônicos após sua fabricação pode reduzir significativamente os custos de pesquisa, desenvolvimento e fabricação, aumentando simultaneamente a eficiência. Isso também tornará os sistemas ópticos mais compactos e energeticamente eficientes, reduzindo o número de componentes necessários.

Essa flexibilidade pode levar aIsso poderia levar a avanços em áreas como a computação quântica, onde fontes de luz quântica programáveis ​​e conversores de frequência podem melhorar a eficiência da computação e das conexões de rede. Isso também poderia melhorar o desempenho dos sistemas de telecomunicações, utilizando fontes de luz ajustáveis ​​para redes 5G e, no futuro, 6G.

Os pesquisadores veem um enorme potencial em seu desenvolvimento. No futuro, eles planejam estudar como as não linearidades programáveis ​​em óptica podem se manifestar em uma gama mais ampla de materiais e como essa tecnologia pode ser desenvolvida para desempenhar funções em nível quântico.