Высокоэффективная интегральная фотонная схема на основе метода обратного проектирования

С взрывным ростом информации и данных фотонные интегральные схемы и микросхемы предъявляют более высокие требования к сверхбыстрому времени отклика, сверхмалым размерам, сверхнизкому энергетическому порогу и высокой плотности интеграции. Фотонная интегральная схема состоит из микро/нано структуры и использует фотон вместо электрона в качестве носителя информации. Традиционные фотонные интегральные схемы, основанные на структурах, подобных фон Нейману, в основном используют регулярные или периодические структуры, такие как микрокольцевые резонаторы, фотонные кристаллы (ПК), поверхностные плазмонные поляритоны (ППП) и метаматериалы и т. д. Такие диэлектрические структуры обычно требуют больших размеров, в результате чего общий размер контура большой, обычно достигает сотен микрон. Хотя размер цепей SPP невелик, их огромные потери при передаче по-прежнему представляют огромную трудность для ограничения реализации низкого энергопотребления. Для реализации сложных функций в традиционных устройствах обычно используется нелинейный материал. Однако противоречие между сверхбыстрым откликом и большим коэффициентом нелинейности нелинейных материалов приводит к противоречию между сверхбыстрым откликом и сверхмалым энергопотреблением. До сих пор по-прежнему сложной задачей является реализация интегральной фотонной схемы с высокой производительностью интеграции сверхвысокой плотности, сверхбыстрым откликом и сверхнизким энергопотреблением.

Традиционно конструкции микро/наноустройств в основном основаны на методе конечных разностей во временной области (FDTD) и методе конечных элементов (FEM) путем решения уравнений Максвелла, но эти методы обычно включают длительный процесс с повторными вычислениями для оптимизации структурных параметров. путем ручной настройки параметров наноструктур, таких как ширина волноводов, диаметр отверстий для воздуха и размер микроколец и т. д. Метод обратного проектирования, использующий метод алгоритма для расчета неизвестных оптических структур или оптимизации известных структур на основе ожидаемых функциональных характеристик, больше подходит для проектирования и оптимизации оптических микро/наноструктур. Метод обратного проектирования может оптимизировать работу отдельного устройства или обогатить работу всей схемы, такой как высокопроизводительные решетчатые ответвители, демультиплексор длины волны, делитель мощности, поляризационный светоделитель и т. д. Метод обратного проектирования больше подходит для разработка и оптимизация фотонных интегральных схем и, как ожидается, позволит преодолеть узкие места в возможностях обработки информации на кристалле.

Авторы этой статьи предложили и экспериментально продемонстрировали подход, основанный на методе обратного проектирования, для реализации высокоплотной, сверхбыстрой и сверхнизкой потребляемой интегральной фотонной схемы. Исследовательская группа улучшила алгоритм обратного проектирования, чтобы удовлетворить потребность в оптимизации производительности всей схемы. Преимуществом алгоритма было наличие сопряженного распределения полей. Сопряженный метод требовал, чтобы диэлектрическая проницаемость «падала на один шаг» вдоль направления градиентного спуска, градиент рассчитывался в соответствии с целевой функцией, а диэлектрическая проницаемость итерировалась вдоль направления градиента.

Схема состояла из трех устройств с двумя полностью оптическими переключателями, управляющими входными состояниями логического элемента XOR. Размер элемента всей схемы составлял всего 2,5 мкм × 7 мкм, а размер отдельного устройства — 2 мкм × 2 мкм. Расстояние между двумя соседними устройствами составляло всего 1,5 мкм в пределах шкалы амплитуды длины волны. За счет рассеяния неупорядоченных наноструктур обратной конструкции было изменено распределение модового поля сигнального света. При входе светового сигнала он может передаваться через неупорядоченные наноструктуры. При входе управляющего света поля мод двух источников света когерентно перекрываются, что изменяет распределение полей мод сигнального света и управляющего света, поэтому сигнальный свет не может проходить через неупорядоченные наноструктуры. Теоретическое время отклика полностью оптического переключателя обратной конструкции составляло 100 фс, а пороговая энергия управляющего света составляла 10 фДж/бит, что равнялось сигнальному свету для полностью оптического переключателя. Время отклика логического элемента составляло 20 фс. Исследовательская группа также рассматривала проблему перекрестных помех на протяжении всего процесса оптимизации интегральной схемы. Схема не только объединила три устройства, но и реализовала функцию идентификации двузначных результатов логического сигнала. Эта работа предлагает новую идею для разработки сверхбыстрой интегральной фотонной схемы со сверхнизким энергопотреблением и сверхвысокой плотностью.