En ny publikation från Opto-Electronic Advances diskuterar högpresterande integrerad fotonisk krets baserad på invers designmetod.

Med den explosiva tillväxten av information och data har fotoniska integrerade kretsar och chips högre krav på ultrasnabb svarstid, ultraliten storlek, ultralåg energitröskel och hög integrationstäthet. Den fotoniska integrerade kretsen är sammansatt av mikro/nanostruktur och använder foton istället för elektron som informationsbärare. Traditionella fotoniska integrerade kretsar baserade på von Neumann-liknande strukturer använder huvudsakligen regelbundna eller periodiska strukturer, såsom mikroringresonatorer, fotoniska kristaller (PC), ytplasmonpolaritoner (SPPs) och metamaterial, etc. Sådana dielektriska strukturer behöver vanligtvis en stor storlek, orsakar den totala storleken på kretsen stor, når vanligtvis hundratals mikron. Även om storleken på SPP-kretsar är liten, är deras enorma överföringsförlust fortfarande en enorm svårighet att begränsa realiseringen av låg energiförbrukning. För att förverkliga komplexa funktioner använder traditionella enheter vanligtvis icke-linjärt material. Men motsättningen mellan den ultrasnabba responsen och den stora olinjära koefficienten för olinjära material leder till motsättningen mellan ultrasnabb respons och ultralåg energiförbrukning. Hittills är det fortfarande en stor utmaning att förverkliga en integrerad fotonisk krets med hög prestanda för integration med ultrahög densitet, ultrasnabb respons och ultralåg energiförbrukning.

Traditionellt är konstruktionerna av mikro/nano-enheter huvudsakligen baserade på finita skillnadstidsdomänmetoden (FDTD) och finita elementmetoden (FEM) genom att lösa maxwellens ekvationer, men metoderna innebär vanligtvis en lång process genom upprepad beräkning för att optimera strukturella parametrar genom att manuellt justera parametrarna för nanostrukturer, såsom vågledarnas bredd, lufthålens diameter och mikroringarnas storlek etc. Invers designmetod, med algoritmteknik för att beräkna okända optiska strukturer eller optimera kända strukturer baserat på förväntade funktionella egenskaper, är mer lämpad för design och optimering av optiska mikro/nano-strukturer. Den omvända designmetoden kan optimera prestandan för en enda enhet eller berika funktionen hos hela kretsen, såsom högpresterande gitterkopplare, våglängdsdemultiplexerare, effektdelare, polarisationsstråldelare, etc. Den omvända designmetoden är mer lämplig för design och optimering av fotoniska integrerade kretsar och förväntas bryta igenom flaskhalsen av on-chip informationsbearbetningskapacitet.

Författarna till denna artikel föreslog och demonstrerade experimentellt ett tillvägagångssätt baserat på invers designmetod för att realisera en integrerad fotonisk krets med hög densitet, ultrasnabb och ultralåg energiförbrukning. Forskargruppen förbättrade den omvända designalgoritmen för att möta kravet på att optimera prestanda för hela kretsen. Fördelen med algoritmen var förekomsten av adjoint fältfördelning. Den angränsande metoden krävde dielektricitetskonstanten "fall ett steg" längs gradientens nedstigningsriktning, gradienten beräknades enligt objektivfunktionen och dielektricitetskonstanten itererades längs gradientriktningen.

Kretsen bestod av tre enheter med två helt optiska omkopplare som styrde ingångstillstånden för en XOR-logisk grind. Funktionsstorleken för hela kretsen var endast 2,5 μm × 7 μm, och den för en enda enhet var 2 μm × 2 μm. Avståndet mellan två intilliggande enheter var så litet som 1,5 μm, inom våglängdsskala. Genom spridningen av de omvänd designade oordnade nanostrukturerna ändrades modfältsfördelningen av signalljus. När signalen ljusinmatas kan den sända genom de oordnade nanostrukturerna. När kontrollljuset inmatas överlappar lägesfältet för två lampor koherent, vilket ändrade lägesfältsfördelningen av signalljuset och kontrollljuset, så att signalljuset inte kan överföras genom de oordnade nanostrukturerna. Den teoretiska svarstiden för den helt optiska omkopplaren med omvänd design var 100 fs, och tröskelenergin för kontrollljuset var 10 fJ/bit, lika med signalljuset för den helt optiska omkopplaren. Svarstiden för den logiska grinden var 20 fs. Forskargruppen övervägde också överhörningsproblemet genom hela optimeringsprocessen för den integrerade kretsen. Kretsen integrerade inte bara tre enheter utan realiserade också en funktion för att identifiera tvåsiffriga logiska signalresultat. Detta arbete ger en ny idé för design av ultrasnabb, ultralåg energiförbrukning och integrerad fotonisk krets med ultrahög densitet. + Utforska vidare

En ny helt optisk växlingsmetod gör optiska dator- och kommunikationssystem mer energieffektiva