Первая в мире кремний-фотонная нейросеть


Фотонная нейросеть
Схема собранного устройства. Рисунок из оригинальной статьи.

Нейросети берут штурмом мир вычислений. Исследователи используют их для создания машин, способных выполнять действия, которые раньше считались исключительной прерогативой человека — распознавание образов, лиц, обработка естественных языков. Эти и другие навыки уже сейчас выполняются машинами совершенно рутинно.

Однако существует желание создать более способные и мощные нейросети, которые смогут отодвинуть границы возможностей искусственного интеллекта ещё дальше. Одним из направлений в этой работе является конструирование схем, цепей, которые по своей архитектуре будут функционировать подобно нейронам — так называемых нейроморфных чипов. Но как сделать эти чипы быстрыми?

Недавно группа исследователей из Принстонского университета (Princeton University) представила один из возможных ответов на этот вопрос: они построили первый в мире интегральный кремний-фотонный нейроморфный чип и показали, что он способен работать и вычислять со сверхвысокой скоростью. (далее…)

Intel представила первые компоненты кремниевой фотоники


Трафик ЦОДов удваивается каждые 12 месяцев
Трафик ЦОДов удваивается каждые 12 месяцев.

На Международном форуме для разработчиков Intel (Intel Developer Forum, IDF) в Сан-Франциско (штат Калифорния, США) ведущий чипмейкер объявил о начале поставок модулей кремниевой фотоники, которые, благодаря использованию света и лазеров, ускоряют обмен данными между компьютерами.

Во вступительной речи к IDF, исполнительный вице-президент и генеральный менеджер Intel Data Center Group, Диана Брайант (Diane Bryant), сообщила, что в первую очередь компоненты кремниевой фотоники будут использоваться в оптических коммуникациях на больших расстояниях, между серверами и датацентрами. Со временем Intel рассчитывает вывести их на уровень микросхем, что позволит посредством световых сигналов передавать информацию внутри компьютера. (далее…)

Откроется ли в сентябре 2017 года во Владикавказе кафедра фотоники?


На заводе «Баспик»
На заводе «Баспик».

Первая в Северо-Кавказском федеральном округе (СКФО) кафедра фотоники для подготовки специалистов по изготовлению сложных оптических изделий должна открыться в 2017 году во Владикавказе.

Новую кафедру собираются создать на базе Северо-Кавказского горно-металлургического института при содействии завода оптики «Баспик». Об этом в понедельник 22 августа сообщила директор «Баспик» по качеству Татьяна Алкацева.

«1 сентября 2017 года должна открыться базовая кафедра фотоники при университете, но базироваться она будет на предприятии. Такой кафедры в Северо-Кавказском регионе пока нет. На кафедре будут и бюджетные места», — сказала Алкацева, добавив, что на специалистов, которых будут готовить на кафедре, в регионе уже есть спрос. (далее…)

Лазер и наночастицы против раковых клеток


Наночастицы против рака
ПЭТ- сканирование подопытных мышей с опухолями (отмечены белыми стрелками). В опухоли вводились различные наноматериалы, после чего область опухоли просвечивалась лазером, работающим в ближнем инфракрасном диапазоне волн. Разогрев наночастиц вызывает гибель раковых клеток (красные стрелки).

Исследователи из Университета Копенгагена сообщают о начале разработки нового способа борьбы с раковыми опухолями, в том числе метастизированными. В опухоль вводятся наночастицы, которые разогреваются под воздействием легко проникающего сквозь ткани луча лазера, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне волн.

Используя технологию одночастичной и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), исследователи определили фототермическую эффективность резонирующего в ближнем инфракрасном диапазоне наноматериала (nanoshells — нанооболочек), состоящего из двуокиси кремния и золота (AuNSs), и сравнили с аналогичными показателями «обычных» наночастиц золота (AuNPs). И «в пробирке», и на животной модели (больные раком мыши), резонирующие AuNSs разогревались сильнее, чем нерезонирующие AuNPs. (далее…)

Учёные из МФТИ провозгласили «медную революцию» в нанофотонике


Чип с медными компонентами
Кремниевый чип с медными плазмонными компонентами.

Исследователи из Московского физико-технического института впервые продемонстрировали возможность использования медных компонентов в устройствах нанофотоники. Ранее для этих целей использовались только благородные металлы. Медь в отличие от них не только дешевле и технологичнее, но и допускает возможность интеграции производства нанооптических компонентов со стандартным технологическим процессом.

В рамках работы, итоги которой опубликованы в журнале NanoLetters, Дмитрий Федянин с коллегами изготовили плазмонные световоды из меди. Авторы отмечают, что процесс создания оптических волноводов на основе меди совместим с обычным КМОП-процессом, который применяется для производства микросхем.

«Нам удалось создать медные чипы, оптические свойства которых ни в чём не уступают аналогам из золота, — говорит Дмитрий Федянин. — Более того, мы добились этого в производственном цикле, совместимом с КМОП-технологией, которая является основой всех современных интегральных схем, включая микропроцессоры. Это своего рода революция в нанофотонике». (далее…)

Получена фазовая диаграмма перехода фотонного кристалла в метаматериал


Экспериментальная установка
Для эксперимента использовалась решётка из пластиковых трубок, заполненных нагретой водой.

Группа физиков из Университета ИТМО, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе и Австралийского национального университета изучила явление фазового перехода между фотонными кристаллами и метаматериалами — двумя типами периодических структур, способных управлять светом сложным образом. Данная работа поможет лучше понять фундаментальные свойства периодических структур и открыть новые возможности для проектирования и создания новых электромагнитных материалов.

Фотонные кристаллы и метаматериалы представляют собой искусственные среды, состоящие из частиц небольшого размера с определёнными электромагнитными свойствами. Несмотря на то, что компоненты этих материалов намного превышают атомные размеры, материалы способны преобразовывать структуру светового потока, причём зачастую крайне необычным образом. Особенности преломления света в таких материалах зависят от свойств и расположения составляющих их компонентов.

Исследователи из России и Австралии решили проверить, как оптические свойства подобных материалов будут меняться при постепенном изменении параметров их компонентов. В качестве моделей учёные использовали решётку из пластиковых трубок, заполненных горячей водой. Сами авторы сравнивают получившуюся систему с батареей отопления. (далее…)

Устройства беспроводной связи можно питать по оптоволоконным линиям


Зависимость переданной мощности и коэффициента передачи по мощности от полной мощности.
Графики зависимостей переданной мощности и коэффициента передачи по мощности от полной мощности, поданной в оптическую линию.

Исследователи из Токийского университета электрокоммуникаций (電気通信大学, University of Electro-Communications) сообщают, что смогли подать 60 ватт мощности в оптоволоконную линию длиной 300 метров и продемонстрировали возможность питать различные передающие устройства через оптоволоконные линии с двухслойным вторичным защитным покрытием. Результаты исследований опубликованы в журнале Optics Letters.

Ускоряющаяся информатизация предъявляет всё быстрее растущие требования передаче данных устройствам, которые затем передают их далее по беспроводным каналам связи. Возможность питать эти устройства энергией по тем же оптоволоконным линиям, по которым передаётся информация, позволила бы значительно улучшить и упростить инфраструктуру. (далее…)

Материал с нулевым показателем преломления для квантовых компьютеров


Метаматериал с нулевым коэффициентом преломления
Новый материал с нулевым показателем преломления представляет собой массив кремниевых колонн, встроенных в полимерную матрицу и покрытых золотой плёнкой. Иллюстрация Питера Аллена (Peter Allen), Гарвард.

Исследователи из Гарвардского университета (США) сообщили о разработке метаматериала, у которого показатель преломления равен нулю. В таком веществе фазовая скорость света равна бесконечности. Это не первый материал с подобными свойствами, однако впервые в мире он интегрирован в микросхему, а значит, необычные свойства волновода можно использовать для оптической обработки данных или квантовых вычислений.

Новый метаматериал был разработан в лаборатории Эрика Мазура (Eric Mazur) в Школе инженерных и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) при Гарвардском университете.

Показатель преломления характеризует отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде и в обычных материалах имеет значение больше единицы. При попадании волны в среду с бо́льшим показателем преломления её длина волны уменьшается. И наоборот, при выходе в среду с меньшим показателем преломления длина волны увеличивается: расстояние между гребнями возрастает. (далее…)

В МГУ разработан оптический нанопереключатель с разрешением в доли пикосекунды


Нанопереключатель оптических импульсов
Переключатель оптических импульсов имеет диаметр в четверть микрометра и временно́е разрешение в доли пикосекунды.

Физикам из Московского государственного университета совместно с коллегами из Австралийского национального университета в Канберре удалось создать сверхскоростной фотонный переключатель. Устройство, функционирующее на кремниевых наноструктурах, способно переключать оптические импульсы с частотой 10 терагерц.

Разработанный в МГУ фотонный переключатель представляет собой диск диаметром 250 нанометров, который принимает световые импульсы из двух источников. Если импульсы приходят одновременно, они вступают во взаимодействие друг с другом. Благодаря эффекту двухфотонного поглощения управляющий импульс гасит информационный. При отсутствии управляющего импульса информационный проходит через наноструктуру без изменений.

Временно́е разрешение устройства составляет всего лишь несколько десятков фемтосекунд. Если задержка между двумя импульсами достигает 100 фс, поглощения не происходит. Таким образом, переключатель управляет информацией с частотой порядка 1013 Гц, соответствующей скорости передачи информации в 10 терабит в секунду. (далее…)

Впервые представлена оптическая энергонезависимая память


Принцип работы оптического чипа ПЗУ
Информацию хранит фазовое состояние GST-участка в верхней части нанооптического световода. Разные состояния вещества имеют значительно различающиеся коэффициенты прозрачности.

Оптические накопители в будущем могут заменить флэш-память, что позволит создавать более быстрые и энергоэффективные ПЗУ. Группа исследователей из Оксфордского университета и Технологического института Карлсруэ представила прототип постоянной памяти, не использующий электричества для хранения информации. В случае коммерческого применения данной технологии пользователи получат скоростные накопители, которые расходуют намного меньше энергии.

Технология, которую использовали британские и германские исследователи, известна по перезаписываемым оптическим дискам: CD-RW, DVD, BluRay. Для хранения информации используется сплав под названием GST, состоящий из германия, сурьмы и теллурия. Нагретый лазером, материал меняет свою структуру, из кристаллического вещества превращаясь в аморфное. При этом меняются и оптические свойства, что позволяет считывать данные с помощью другого, менее мощного лазера. (далее…)

Создан компактный светоделитель для фотонных компьютеров


Изображение светоделительного устройства
Изображение светоделительного устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Инженеры Университета Юты значительно продвинулись по пути создания и массового применения оптических компьютеров. Им удалось спроектировать, изготовить и протестировать нанооптическое светоделительное устройство, полученное непосредственно на кремниевом чипе и имеющее размеры всего лишь 2,4 × 2,4 мкм. Это самый компактный на данный момент поляризационный светоделитель.

Светоделительное устройство, напоминающее своим видом бар-код, может расщеплять входящий световой поток на две компоненты. Ранее размеры подобных устройств превышали 100 × 100 микрон, то есть, имели почти в две тысячи раз большую площадь. Добиться столь существенного прогресса удалось с помощью нового алгоритма для проектирования светоделителя. Размер получившегося устройства близок к теоретическому пределу: длина и ширина сплиттера менее чем в два раза превышают длину волны света, с которым работает устройство.

Длина волны света, с которой работает представленное устройство, составляет 1550 нм. В своей статье авторы описывают два варианта светоделителя: один расщепляет световой поток с двумя поляризациями на два потока, а второй, выполняя ту же функцию, соединяет многомодовое волокно на входе с двумя одномодовыми на выходе. (далее…)

IBM готова внедрять кремниевую фотонику в дата-центрах


Кассета с оптическими чипами
Кассета, содержащая несколько сотен чипов, предназначенных для стогигабитных приёмопередатчиков.

Американская компания IBM сообщила о достижении важной вехи на пути к внедрению технологии кремниевой фотоники, в которой информация передаётся при помощи света, а не электрических сигналов. Впервые удалось спроектировать и испытать полностью интегрированный кремниевый фотонный чип с мультиплексированием, благодаря которому в ближайшее время станет возможным производство 100-гигабитных оптических приёмопередатчиков.

Использование оптических каналов для передачи данных в пределах чипа позволит существенно сократить потери энергии и при этом увеличить пропускную способность. Основным препятствием является различие в технологиях производства микросхем и оптики. Исследователи работают над тем, чтобы создать приёмопередатчики световых импульсов на технологии КМОП, активно используемой для производства электроники. (далее…)

Электрический ключ из одной молекулы, управляемый светом


Наноключ
Иллюстрация электрического наноключа, представляющего собой молекулу диарилэтена.

Германские физики создали миниатюрный электрический ключ, состоящий из единственной молекулы. Ключ управляется светом: проводящая ток молекула при облучении меняет свою конфигурацию и замыкает мостик между двумя проводниками.

Сотрудники Констанцского университета и Гельмгольц-центра Дрезден-Россендорф (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR) ведут работу над хранением и обработкой информации на молекулярном масштабе. В своём докладе в журнале Advanced Science они сообщают о состоящем из единственной молекулы ключе, который при воздействии на него света управляет электрическим током.

Чтобы молекула могла управлять током, требуется наличие связи между атомами, которая могла бы исчезать, а затем снова появляться в том же виде при подаче энергии в молекулу. Физики обнаружили, что особая структура диарилэтена отвечает заданным требованиям. Диарилэтен является изолятором, когда находится в «открытом» состоянии и проводником в «закрытом».

Молекулу диарилэтена прикрепили к тончайшим кончикам проводников, состоящим всего из нескольких молекул золота. При облучении её светом молекула переходит из разомкнутого состояния в замкнутое и начинает пропускать ток.

Однако добиться выключения физикам пока не удалось. Тем не менее, они уверены в том, что это лишь вопрос времени. Сотрудники теоретической группы HZDR в настоящее время вычисляют, как точно молекула должна вращаться для того, чтобы разорвать электрическую цепь. Это не очень быстрый процесс: только сопряжение молекулы диариэтена при помощи электронной литографии и последующие вычисления продолжались три года.

Европа разрабатывает масштабируемые оптические микросхемы


Команда из Национального института Тиндаля.
Команда проекта TIPS Национального института Тиндаля.

Национальный институт Тиндаля, расположенный в ирландском Корке, станет ведущей организацией в консорциуме европейских исследовательских учреждений. Консорциум образуется в рамках проекта создания интеллектуальных фотонных микросхем. Финансируемый Еврокомиссией, этот проект должен обеспечить Евросоюз эффективными масштабируемыми фотонными микросхемами, которые обеспечат более быструю передачу данных при меньшей стоимости.

Проект получил название TIPS, что означает Thermally Integrated Smart Photonics Systems — термически интегрированные интеллектуальные оптические системы. Концепция TIPS была представлена в минувшем году. Изучив возможности масштабирования современных оптических микросхем, ирландские исследователи пришли к выводу, что для дальнейшего роста пропускной способности требуются новые решения. Основной проблемой был назван отвод тепла: температура лазеров должна поддерживаться с точностью до одной десятой градуса для сохранения длины волны. Каждый лазер вырабатывает всего 0,1 Вт тепла, однако оно выводится с небольшой площади, и при плотном размещении масштабирование систем становится затруднительным. (далее…)