Una nueva publicación de Opto-Electronic Advances analiza el circuito fotónico integrado de alto rendimiento basado en el método de diseño inverso.

Con el crecimiento explosivo de la información y los datos, los chips y circuitos integrados fotónicos tienen mayores requisitos de tiempo de respuesta ultrarrápido, tamaño ultrapequeño, umbral de energía ultrabajo y alta densidad de integración. El circuito integrado fotónico está compuesto por una estructura micro/nano y utiliza fotones en lugar de electrones como portador de información. Los circuitos integrados fotónicos tradicionales basados ​​en estructuras similares a von Neumann utilizan principalmente estructuras regulares o periódicas, como resonadores de microanillos, cristales fotónicos (PC), polaritones de plasmones superficiales (SPP) y metamateriales, etc. Tales estructuras dieléctricas generalmente necesitan un tamaño grande, lo que hace que el tamaño total del circuito sea grande, por lo general alcanza cientos de micrones. Aunque el tamaño de los circuitos SPP es pequeño, su enorme pérdida de transmisión sigue siendo una gran dificultad para limitar la realización de un bajo consumo de energía. Para realizar funciones complejas, los dispositivos tradicionales suelen adoptar material no lineal. Sin embargo, la contradicción entre la respuesta ultrarrápida y el gran coeficiente no lineal de los materiales no lineales conduce a la contradicción entre la respuesta ultrarrápida y el consumo de energía ultra bajo. Hasta ahora, sigue siendo un gran desafío realizar un circuito fotónico integrado con alto rendimiento de integración de densidad ultraalta, respuesta ultrarrápida y consumo de energía ultrabajo.

Tradicionalmente, los diseños de micro/nanodispositivos se basan principalmente en el método de dominio de tiempo de diferencias finitas (FDTD) y el método de elementos finitos (FEM) a través de la resolución de las ecuaciones de Maxwell, pero los métodos generalmente involucran un proceso largo a través de cálculos repetidos para optimizar los parámetros estructurales. ajustando manualmente los parámetros de las nanoestructuras, como el ancho de las guías de ondas, el diámetro de los orificios de aire y el tamaño de los microanillos, etc. Método de diseño inverso, utilizando la técnica del algoritmo para calcular estructuras ópticas desconocidas u optimizar estructuras conocidas basadas en características funcionales esperadas, es más adecuado para el diseño y optimización de micro/nanoestructuras ópticas. El método de diseño inverso puede optimizar el rendimiento de un solo dispositivo o enriquecer la función de todo el circuito, como acopladores de rejilla de alto rendimiento, demultiplexor de longitud de onda, divisor de potencia, divisor de haz de polarización, etc. El método de diseño inverso es más adecuado para el diseño y optimización de circuitos fotónicos integrados y se espera que elimine el cuello de botella de la capacidad de procesamiento de información en el chip.

Los autores de este artículo propusieron y demostraron experimentalmente un enfoque basado en el método de diseño inverso para realizar un circuito fotónico integrado de alta densidad, ultrarrápido y ultrabajo consumo de energía. El grupo de investigación mejoró el algoritmo de diseño inverso para satisfacer la demanda de optimizar el rendimiento de todo el circuito. La ventaja del algoritmo era la existencia de una distribución de campos adjuntos. El método adjunto requería que la constante dieléctrica "caiga un paso" a lo largo de la dirección de descenso del gradiente, el gradiente se calculó de acuerdo con la función objetivo y la constante dieléctrica se iteró a lo largo de la dirección del gradiente.

El circuito constaba de tres dispositivos con dos interruptores totalmente ópticos que controlaban los estados de entrada de una puerta lógica XOR. El tamaño de la característica de todo el circuito fue de solo 2,5 μm × 7 μm, y el de un solo dispositivo fue de 2 μm × 2 μm. La distancia entre dos dispositivos adyacentes era tan pequeña como 1,5 μm, dentro de la escala de magnitud de longitud de onda. A través de la dispersión de las nanoestructuras desordenadas de diseño inverso, se cambió la distribución del campo modal de la luz de la señal. Cuando la señal de entrada de luz, puede transmitir a través de las nanoestructuras desordenadas. Cuando la luz de control entra, el campo de modo de dos luces se superpone coherentemente, lo que cambia la distribución del campo de modo de la luz de señal y la luz de control, por lo que la luz de señal no puede transmitirse a través de las nanoestructuras desordenadas. El tiempo de respuesta teórico del interruptor totalmente óptico de diseño inverso fue de 100 fs, y el umbral de energía de la luz de control fue de 10 fJ/bit, igual a la luz de señal del interruptor totalmente óptico. El tiempo de respuesta de la compuerta lógica fue de 20 fs. El grupo de investigación también consideró el problema de la diafonía durante todo el proceso de optimización del circuito integrado. El circuito no solo integró tres dispositivos, sino que también realizó una función de identificación de resultados de señales lógicas de dos dígitos. Este trabajo proporciona una nueva idea para el diseño de circuitos fotónicos integrados ultrarrápidos, de ultra bajo consumo de energía y ultra alta densidad. + Explora más

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