Una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Advances discute il circuito fotonico integrato ad alte prestazioni basato sul metodo di progettazione inversa.

Con la crescita esplosiva di informazioni e dati, i circuiti integrati e i chip fotonici hanno requisiti più elevati per tempi di risposta ultra rapidi, dimensioni ultra ridotte, soglia di energia ultrabassa e densità di integrazione elevata. Il circuito integrato fotonico è composto da una struttura micro/nano e utilizza il fotone invece dell'elettrone come vettore di informazioni. I circuiti integrati fotonici tradizionali basati su strutture simili a von Neumann utilizzano principalmente strutture regolari o periodiche, come risuonatori a micro-anello, cristalli fotonici (PC), polaritoni plasmonici di superficie (SPP) e metamateriali, ecc. Tali strutture dielettriche di solito richiedono grandi dimensioni, causando la dimensione complessiva del circuito grande, di solito raggiunge centinaia di micron. Sebbene le dimensioni dei circuiti degli SPP siano ridotte, la loro enorme perdita di trasmissione è ancora un'enorme difficoltà per limitare la realizzazione di bassi consumi energetici. Per realizzare funzioni complesse, i dispositivi tradizionali adottano solitamente materiale non lineare. Tuttavia, la contraddizione tra la risposta ultraveloce e il grande coefficiente non lineare dei materiali non lineari porta alla contraddizione tra la risposta ultraveloce e il consumo di energia ultrabasso. Fino ad ora, è ancora una grande sfida realizzare un circuito fotonico integrato con prestazioni elevate di integrazione a densità ultraelevata, risposta ultraveloce e consumo energetico ultrabasso.

Tradizionalmente, i progetti di micro/nano-dispositivi si basano principalmente sul metodo nel dominio del tempo alle differenze finite (FDTD) e sul metodo degli elementi finiti (FEM) attraverso la risoluzione delle equazioni di maxwell, ma i metodi di solito implicano un lungo processo attraverso calcoli ripetuti per ottimizzare i parametri strutturali regolando manualmente i parametri delle nanostrutture, come la larghezza delle guide d'onda, il diametro dei fori d'aria e la dimensione dei micro-anelli, ecc. Metodo di progettazione inversa, utilizzando la tecnica dell'algoritmo per calcolare strutture ottiche sconosciute o ottimizzare strutture note in base a caratteristiche funzionali attese, è più adatto per la progettazione e l'ottimizzazione di micro/nano-strutture ottiche. Il metodo di progettazione inversa può ottimizzare le prestazioni di un singolo dispositivo o arricchire la funzione dell'intero circuito, come accoppiatori a reticolo ad alte prestazioni, demultiplexer di lunghezza d'onda, divisore di potenza, divisore di fascio di polarizzazione, ecc. Il metodo di progettazione inversa è più adatto per il progettazione e ottimizzazione di circuiti integrati fotonici e si prevede che rompa il collo di bottiglia della capacità di elaborazione delle informazioni su chip.

Gli autori di questo articolo hanno proposto e dimostrato sperimentalmente un approccio basato sul metodo di progettazione inversa per realizzare un circuito fotonico integrato ad alta densità, ultraveloce ea bassissimo consumo energetico. Il gruppo di ricerca ha migliorato l'algoritmo di progettazione inversa per soddisfare la richiesta di ottimizzazione delle prestazioni dell'intero circuito. Il vantaggio dell'algoritmo era l'esistenza di una distribuzione di campo aggiunta. Il metodo aggiunto richiedeva la costante dielettrica "drop one step" lungo la direzione di discesa del gradiente, il gradiente è stato calcolato in base alla funzione obiettivo e la costante dielettrica è stata ripetuta lungo la direzione del gradiente.

Il circuito era composto da tre dispositivi con due interruttori completamente ottici che controllano gli stati di ingresso di una porta logica XOR. La dimensione della caratteristica dell'intero circuito era di soli 2,5 μm × 7 μm e quella di un singolo dispositivo era di 2 μm × 2 μm. La distanza tra due dispositivi adiacenti era di appena 1,5 μm, all'interno della scala di magnitudo della lunghezza d'onda. Attraverso la dispersione delle nanostrutture disordinate a disegno inverso, la distribuzione del campo modale della luce del segnale è stata modificata. Quando l'ingresso della luce del segnale, può trasmettere attraverso le nanostrutture disordinate. Quando l'ingresso della luce di controllo, il campo modale di due luci si sovrappone in modo coerente, il che ha cambiato la distribuzione del campo modale della luce del segnale e della luce di controllo, quindi la luce del segnale non può essere trasmessa attraverso le nanostrutture disordinate. Il tempo di risposta teorico dell'interruttore completamente ottico a design inverso era di 100 fs e l'energia di soglia della luce di controllo era di 10 fJ/bit, uguale alla luce del segnale per l'interruttore completamente ottico. Il tempo di risposta della porta logica è stato di 20 fs. Il gruppo di ricerca ha anche considerato il problema del crosstalk attraverso l'intero processo di ottimizzazione del circuito integrato. Il circuito non solo integrava tre dispositivi, ma realizzava anche una funzione di identificazione dei risultati del segnale logico a due cifre. Questo lavoro fornisce una nuova idea per la progettazione di circuiti fotonici integrati ultraveloci, a bassissimo consumo energetico e ad altissima densità. + Esplora ulteriormente

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