Базовый компонент интегральной фотонной схемы субтерагерцового диапазона для будущих коммуникационных устройств 6G и нейросетей был разработан учеными из Москвы.
Авторы утверждают, что данное решение можно применять при создании вычислительных систем, способных выполнять операции и расчеты «на лету», не расходуя энергию на хранение промежуточных данных. Результаты исследования были опубликованы в журнале Optical Materials.
Между микроволновым (как в смартфонах) и инфракрасным (как в пультах ДУ) излучениями располагаются высокочастотные терагерцовый (ТГц) и субтерагерцовый (субТГц) диапазоны, пояснили в НИУ МИЭТ. Эти диапазоны рассматриваются как перспективные для разработки систем связи нового поколения (6G), где увеличение скорости передачи достигается за счет повышения частоты несущего сигнала.
Группа ученых из МИЭТ, МПГУ, МИСИС и НПК «Технологический центр» разработала, изготовила и протестировала энергонезависимые аттенюаторы (устройства, предназначенные для уменьшения амплитуды или мощности сигнала) в интегральном исполнении, которые позволяют управлять параметрами субТГц сигнала.
По данным исследователей, созданные элементы могут быть использованы для разработки искусственных нейронных сетей, способных выполнять расчеты «на лету» без значительного увеличения энергозатрат и без необходимости хранения промежуточных результатов. При этом вычисления будут проходить в пределах субТГц или ТГц диапазона, а сигнал не нужно будет конвертировать в оптический и обратно. Это значительно упростит готовое устройство и снизит его конечную стоимость.
«Основная операция при работе искусственных нейронных сетей — скалярное произведение двух векторов. Это требует выполнения двух арифметических операций: сложения и умножения. Эти операции можно осуществить с помощью двух активных элементов фотонной схемы — аттенюатора и фазовращателя. Мы создали перестраиваемый аттенюатор, работающий в субТГц диапазоне длин волн», — пояснил ведущий научный сотрудник МПГУ и НИТУ «МИСИС» Сергей Селиверстов.
Для создания аттенюатора был использован фазопеременный материал на основе соединения «германий-сурьма-теллур» (Ge-Sb-Te, GST). На основании таких материалов в настоящее время разрабатываются устройства интегральной фотоники, функционирующие в инфракрасном диапазоне длин волн. Однако эксперименты продемонстрировали, что фазопеременные материалы могут также использоваться в субТГц и ТГц диапазонах, сообщил начальник научно-исследовательской лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники», заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Петр Лазаренко.
«Мы применяли фазопеременный материал GST для управления параметрами проходящего сигнала в диапазоне 126,5–145,5 ГГц. В ходе экспериментов была обнаружена высокая (более 10 децибел) разница в поглощении между аморфным и кристаллическим состояниями GST для данного диапазона. Это позволяет использовать материал GST в приложениях интегральной фотоники, работающих в субТГц и ТГц диапазонах», — уточнил он.
По его словам, использование возможностей искусственного интеллекта в системах 6G приведет к дополнительному увеличению скорости и качества передачи данных за счет снижения ошибок в канале связи. Это также поможет выявлять признаки реальных событий по записанным сигналам и перераспределять аппаратные ресурсы в режиме реального времени для оптимизации трафика и вычислений.
«В рамках проекта РНФ, направленного на применение фазопеременных материалов для создания перестраиваемых оптических метаповерхностей, мы получили интересный результат — модуляцию сигнала в элементах на основе пленок GST в субТГц диапазоне. Это значительно расширяет область применения фазопеременных материалов и открывает путь к созданию целого спектра новых интегральных устройств, в том числе для решения задач высокоскоростной передачи и обработки данных», — отметил руководитель проекта РНФ, начальник лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» Евгений Кицюк.
В настоящее время исследователи работают над настройкой технологических процессов по обработке фазопеременных материалов и адаптацией разработанной технологии под производственные возможности индустриального партнера.
Исследования проводятся в рамках гранта Российского научного фонда (№ 23–79–10309), выполняемого в НПК «Технологический центр», при поддержке сотрудников молодежных лабораторий «Фотонные газовые сенсоры» НИТУ «МИСИС» и «Материалы и устройства активной фотоники» НИУ МИЭТ.
Фото: hi-tech.mail.ru