Een nieuwe publicatie van Opto-Electronic Advances bespreekt hoogwaardige geïntegreerde fotonische schakelingen op basis van inverse ontwerpmethode.

Met de explosieve groei van informatie en gegevens stellen fotonische geïntegreerde schakelingen en chips hogere eisen aan ultrasnelle responstijd, ultrakleine afmetingen, ultralage energiedrempel en hoge integratiedichtheid. De fotonische geïntegreerde schakeling is opgebouwd uit micro/nano structuur en gebruikt foton in plaats van elektron als informatiedrager. Traditionele fotonische geïntegreerde schakelingen op basis van von Neumann-achtige structuren gebruiken voornamelijk reguliere of periodieke structuren, zoals microringresonatoren, fotonische kristallen (PC), oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) en metamaterialen, enz. Dergelijke diëlektrische structuren hebben meestal een groot formaat nodig, waardoor de totale grootte van het circuit groot is, bereikt meestal honderden microns. Hoewel de omvang van SPP-circuits klein is, is hun enorme transmissieverlies nog steeds een enorme moeilijkheid om het realiseren van een laag energieverbruik te beperken. Om complexe functies te realiseren, gebruiken traditionele apparaten meestal niet-lineair materiaal. De tegenstelling tussen de ultrasnelle respons en de grote niet-lineaire coëfficiënt van niet-lineaire materialen leidt echter tot de tegenstelling tussen ultrasnelle respons en ultralaag energieverbruik. Tot nu toe is het nog een enorme uitdaging om een ​​geïntegreerd fotonisch circuit te realiseren met hoge prestaties van ultrahoge dichtheidsintegratie, ultrasnelle respons en ultralaag energieverbruik.

Traditioneel zijn de ontwerpen van micro/nano-apparaten voornamelijk gebaseerd op de eindige-verschiltijddomeinmethode (FDTD) en de eindige-elementenmethode (FEM) door het oplossen van de maxwell-vergelijkingen, maar de methoden omvatten meestal een lang proces door herhaalde berekening om structurele parameters te optimaliseren door handmatig de parameters van nanostructuren aan te passen, zoals de breedte van de golfgeleiders, de diameter van luchtgaten en de grootte van de microringen, enz. Inverse ontwerpmethode, met behulp van algoritmetechniek om onbekende optische structuren te berekenen of bekende structuren te optimaliseren op basis van verwachte functionele eigenschappen, is meer geschikt voor het ontwerpen en optimaliseren van optische micro/nano-structuren. De inverse ontwerpmethode kan de prestaties van een enkel apparaat optimaliseren of de functie van het hele circuit verrijken, zoals hoogwaardige roosterkoppelingen, golflengtedemultiplexer, vermogenssplitser, polarisatiebundelsplitser, enz. De inverse ontwerpmethode is meer geschikt voor de ontwerp en optimalisatie van fotonische geïntegreerde schakelingen en zal naar verwachting het knelpunt van on-chip informatieverwerkingscapaciteit doorbreken.

De auteurs van dit artikel hebben een benadering voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd op basis van een inverse ontwerpmethode om een ​​geïntegreerd fotonisch circuit met hoge dichtheid, ultrasnelle en ultralaag energieverbruik te realiseren. De onderzoeksgroep verbeterde het inverse ontwerpalgoritme om te voldoen aan de vraag om de prestaties van het hele circuit te optimaliseren. Het voordeel van het algoritme was het bestaan ​​van een adjoint-velddistributie. De adjoint-methode vereiste dat de diëlektrische constante "één stap laat vallen" langs de gradiëntafdalingsrichting, de gradiënt werd berekend volgens de doelfunctie en de diëlektrische constante werd herhaald langs de gradiëntrichting.

Het circuit bestond uit drie apparaten met twee volledig optische schakelaars die de ingangstoestanden van een XOR-logische poort regelen. De kenmerkgrootte van het hele circuit was slechts 2,5 m × 7 m en die van een enkel apparaat was 2 m × 2 m. De afstand tussen twee aangrenzende apparaten was zo klein als 1,5 m, binnen de golflengteschaal. Door de verstrooiing van de ongeordende nanostructuren met omgekeerd ontwerp, werd de modusveldverdeling van signaallicht veranderd. Wanneer het signaal licht invoert, kan het door de ongeordende nanostructuren zenden. Wanneer de controlelichtinvoer, het modusveld van twee lichten coherent overlapt, wat de modusveldverdeling van het signaallicht en het controlelicht veranderde, waardoor het signaallicht niet door de ongeordende nanostructuren kan worden verzonden. De theoretische responstijd van de volledig optische schakelaar met omgekeerd ontwerp was 100 fs en de drempelenergie van het controlelicht was 10 fJ/bit, gelijk aan het signaallicht voor de volledig optische schakelaar. De responstijd van de logische poort was 20 fs. De onderzoeksgroep nam ook het overspraakprobleem mee in het hele optimalisatieproces van de geïntegreerde schakeling. De schakeling integreerde niet alleen drie apparaten, maar realiseerde ook een functie voor het identificeren van tweecijferige logische signaalresultaten. Dit werk biedt een nieuw idee voor het ontwerp van een ultrasnel, ultralaag energieverbruik en een geïntegreerd fotonisch circuit met ultrahoge dichtheid. + Verder verkennen

Een nieuwe, volledig optische schakelmethode maakt optische computer- en communicatiesystemen energiezuiniger