Последние достижения в области фотонных интегральных схем (ФИС) открывают возможности для создания принципиально нового класса устройств, способных значительно ускорить решение задач искусственного интеллекта и глубокого машинного обучения. По сравнению со стандартными вычислительными устройствами ФИС позволяют достичь существенного выигрыша в скорости и энергопотреблении. При этом фотонные чипы могут быть изготовлены стандартными методами кремниевой микроэлектроники, что открывает широкие возможности для масштабирования и внедрения данной технологии. Сочетание аппаратных ускорителей на основе ФИС и стандартной логики позволит решать многие прикладные задачи более эффективно.
Нанофотоника, в свою очередь, призвана не только значительно сократить размеры ФИС, но и обеспечить новые функциональные возможности. В рамках данного направления нашей научной группой ведется разработка субволновых структур, комбинированных с материалами с фазовым переходом, для реализации энергоэффективных элементов оптической памяти, отдельных нейроморфных синапсов, а также полноразмерных фотонных цепей для аппаратного ускорения таких операций, как вектор-матричное произведение.
Оптические метаповерхности – это субволновые периодические структуры, которые могут формировать почти любой заданный амплитудно-фазовый профиль в проходящей или отраженной волне за счет специально подобранной геометрии формирующих их наноантенн. В перспективе устройства на их основе могут заменить классические объемные рефрактивные элементы в оптических системах для различных применений, от формирования изображения на сенсоре до сложных пространственных голограмм. Отличительной особенностью является возможность изготавливать такие структуры с помощью стандартных методов микроэлектроники, что позволяет уже сейчас внедрять их в массовое производство.
Одним из актуальных приложений для метаповерхностей является аналоговая обработка оптического сигнала. В частности, с помощью таких структур можно обрабатывать изображения фактически мгновенно и без затрат энергии, что важно во многих задачах машинного зрения и искусственного интеллекта. В рамках данного направления нашей научной группой разрабатываются перестраиваемые метаповерхности для аналоговой фурье-фильтрации оптического сигнала. В качестве базовых материалов для подобных структур рассматривается кремний, а также материалы с фазовым переходом для реализации энергоэффективных и компактных устройств для прикладных задач распознавания образов и обработки изображений.