Højtydende integreret fotonisk kredsløb baseret på invers designmetode

En ny publikation fra Opto-Electronic Advances diskuterer højtydende integreret fotonisk kredsløb baseret på invers designmetode.

Med den eksplosive vækst af information og data har fotoniske integrerede kredsløb og chips højere krav til ultrahurtig responstid, ultra-lille størrelse, ultralav energitærskel og høj integrationstæthed. Det fotoniske integrerede kredsløb er sammensat af mikro/nano-struktur og bruger foton i stedet for elektron som informationsbærer. Traditionelle fotoniske integrerede kredsløb baseret på von Neumann-lignende strukturer bruger hovedsageligt regelmæssige eller periodiske strukturer, såsom mikroringresonatorer, fotoniske krystaller (PC), overfladeplasmonpolaritoner (SPP'er) og metamaterialer osv. Sådanne dielektriske strukturer har normalt brug for en stor størrelse, forårsager den samlede størrelse af kredsløbet stor, når normalt hundredvis af mikron. Selvom størrelsen af ​​SPPs kredsløb er lille, er deres enorme transmissionstab stadig en enorm vanskelighed for at begrænse realiseringen af ​​lavt energiforbrug. For at realisere komplekse funktioner anvender traditionelle enheder normalt ikke-lineært materiale. Men modsætningen mellem den ultrahurtige respons og den store ikke-lineære koefficient af ikke-lineære materialer fører til modsætningen mellem ultrahurtig respons og ultralavt energiforbrug. Indtil nu er det stadig en kæmpe udfordring at realisere et integreret fotonisk kredsløb med høj ydeevne af ultrahøj tæthed integration, ultrahurtig respons og ultralavt energiforbrug.

Traditionelt er design af mikro/nano-enheder hovedsageligt baseret på finite difference time domain method (FDTD) og finite element method (FEM) gennem løsning af maxwells ligninger, men metoderne involverer normalt en lang proces gennem gentagen beregning for at optimere strukturelle parametre ved manuelt at justere parametrene for nanostrukturer, såsom bredden af ​​bølgelederne, diameteren af ​​lufthuller og størrelsen af ​​mikroringene osv. Invers designmetode, ved hjælp af algoritmeteknik til at beregne ukendte optiske strukturer eller optimere kendte strukturer ud fra forventede funktionelle egenskaber, er mere velegnet til design og optimering af optiske mikro/nano-strukturer. Den omvendte designmetode kan optimere ydeevnen af ​​en enkelt enhed eller berige funktionen af ​​hele kredsløbet, såsom højtydende gitterkoblere, bølgelængdedemultiplekser, effektdelere, polarisationsstråledelere osv. Den omvendte designmetode er mere velegnet til design og optimering af fotoniske integrerede kredsløb og forventes at bryde igennem flaskehalsen af ​​on-chip informationsbehandlingskapacitet.

Forfatterne til dette papir foreslog og demonstrerede eksperimentelt en tilgang baseret på invers designmetode til at realisere et integreret fotonisk kredsløb med høj tæthed, ultrahurtigt og ultralavt energiforbrug. Forskergruppen forbedrede den omvendte designalgoritme for at imødekomme kravet om at optimere ydeevnen af ​​hele kredsløbet. Fordelen ved algoritmen var eksistensen af ​​adjoint feltdistribution. Adjoint-metoden krævede dielektrisk konstant "drop ét trin" langs gradientens nedstigningsretning, gradienten blev beregnet i henhold til objektivfunktionen, og dielektricitetskonstanten blev itereret langs gradientretningen.

Kredsløbet bestod af tre enheder med to helt optiske kontakter, der kontrollerer inputtilstandene for en XOR-logisk port. Funktionsstørrelsen for hele kredsløbet var kun 2,5 μm × 7 μm, og størrelsen af ​​en enkelt enhed var 2 μm × 2 μm. Afstanden mellem to tilstødende enheder var så lille som 1,5 μm inden for bølgelængdestørrelsesskalaen. Gennem spredningen af ​​de omvendt-designede uordnede nanostrukturer blev tilstandsfeltfordelingen af ​​signallys ændret. Når signalet lyser ind, kan det transmittere gennem de uordnede nanostrukturer. Når kontrollyset input, tilstandsfeltet for to lys sammenhængende overlejrer, hvilket ændrede tilstandsfeltfordelingen af ​​signallyset og kontrollyset, således at signallyset ikke kan transmitteres gennem de uordnede nanostrukturer. Den teoretiske responstid for den omvendte optiske omskifter var 100 fs, og tærskelenergien for kontrollys var 10 fJ/bit, svarende til signallyset for den helt optiske kontakt. Responstiden for den logiske gate var 20 fs. Forskergruppen overvejede også krydstaleproblemet gennem hele optimeringsprocessen af ​​det integrerede kredsløb. Kredsløbet integrerede ikke kun tre enheder, men realiserede også en funktion til at identificere tocifrede logiske signalresultater. Dette arbejde giver en ny idé til design af ultrahurtigt, ultralavt energiforbrug og integreret fotonisk kredsløb med ultrahøj tæthed. + Udforsk yderligere

En ny helt optisk koblingsmetode gør optiske computer- og kommunikationssystemer mere strømeffektive