Une nouvelle publication de Opto-Electronic Advances discute des circuits photoniques intégrés haute performance basés sur la méthode de conception inverse.

Avec la croissance explosive des informations et des données, les circuits intégrés et les puces photoniques ont des exigences plus élevées en matière de temps de réponse ultra-rapide, de taille ultra-petite, de seuil d'énergie ultra-faible et de densité d'intégration élevée. Le circuit intégré photonique est composé d'une structure micro/nano et utilise un photon au lieu d'un électron comme support d'information. Les circuits intégrés photoniques traditionnels basés sur des structures de type von Neumann utilisent principalement des structures régulières ou périodiques, telles que des résonateurs à micro-anneaux, des cristaux photoniques (PC), des polaritons de plasmon de surface (SPP) et des métamatériaux, etc. De telles structures diélectriques nécessitent généralement une grande taille, provoquant la taille globale du circuit grand, atteint généralement des centaines de microns. Bien que la taille des circuits SPP soit petite, leur énorme perte de transmission est toujours une énorme difficulté pour limiter la réalisation d'une faible consommation d'énergie. Pour réaliser des fonctions complexes, les appareils traditionnels adoptent généralement un matériau non linéaire. Cependant, la contradiction entre la réponse ultra-rapide et le grand coefficient non linéaire des matériaux non linéaires conduit à la contradiction entre la réponse ultra-rapide et la consommation d'énergie ultra-faible. Jusqu'à présent, c'est toujours un énorme défi de réaliser un circuit photonique intégré avec des performances élevées d'intégration ultra-haute densité, une réponse ultra-rapide et une consommation d'énergie ultra-faible.

Traditionnellement, les conceptions de micro/nano-dispositifs sont principalement basées sur la méthode du domaine temporel des différences finies (FDTD) et la méthode des éléments finis (FEM) en résolvant les équations de Maxwell, mais les méthodes impliquent généralement un long processus à travers des calculs répétés pour optimiser les paramètres structurels. en ajustant manuellement les paramètres des nanostructures, tels que la largeur des guides d'ondes, le diamètre des trous d'air et la taille des micro-anneaux, etc. Méthode de conception inverse, utilisant la technique de l'algorithme pour calculer des structures optiques inconnues ou optimiser des structures connues en fonction de caractéristiques fonctionnelles attendues, est plus adaptée à la conception et à l'optimisation de micro/nano-structures optiques. La méthode de conception inverse peut optimiser les performances d'un seul appareil ou enrichir la fonction de l'ensemble du circuit, comme les coupleurs de réseau haute performance, le démultiplexeur de longueur d'onde, le séparateur de puissance, le séparateur de faisceau de polarisation, etc. La méthode de conception inverse est plus adaptée au la conception et l'optimisation des circuits intégrés photoniques et devrait briser le goulot d'étranglement de la capacité de traitement de l'information sur puce.

Les auteurs de cet article ont proposé et démontré expérimentalement une approche basée sur la méthode de conception inverse pour réaliser un circuit photonique intégré à haute densité, ultrarapide et à très faible consommation d'énergie. Le groupe de recherche a amélioré l'algorithme de conception inverse pour répondre à la demande d'optimisation des performances de l'ensemble du circuit. L'avantage de l'algorithme était l'existence d'une distribution de champ adjointe. La méthode adjointe nécessitait que la constante diélectrique "baisse d'un pas" le long de la direction de descente du gradient, le gradient était calculé en fonction de la fonction objectif et la constante diélectrique était itérée le long de la direction du gradient.

Le circuit était composé de trois dispositifs avec deux commutateurs tout optique contrôlant les états d'entrée d'une porte logique XOR. La taille caractéristique de l'ensemble du circuit n'était que de 2,5 μm × 7 μm, et celle d'un seul appareil était de 2 μm × 2 μm. La distance entre deux appareils adjacents était aussi petite que 1,5 μm, dans l'échelle de magnitude de la longueur d'onde. Grâce à la diffusion des nanostructures désordonnées de conception inverse, la distribution du champ de mode du signal lumineux a été modifiée. Lorsque le signal lumineux entre, il peut se transmettre à travers les nanostructures désordonnées. Lors de l'entrée de la lumière de contrôle, le champ de mode de deux lumières se superpose de manière cohérente, ce qui a modifié la distribution du champ de mode du signal lumineux et de la lumière de contrôle, ainsi le signal lumineux ne peut pas être transmis à travers les nanostructures désordonnées. Le temps de réponse théorique du commutateur tout optique à conception inversée était de 100 fs et l'énergie de seuil de la lumière de contrôle était de 10 fJ/bit, égale au signal lumineux du commutateur tout optique. Le temps de réponse de la porte logique était de 20 fs. Le groupe de recherche a également examiné le problème de la diaphonie à travers l'ensemble du processus d'optimisation du circuit intégré. Le circuit a non seulement intégré trois dispositifs, mais a également réalisé une fonction d'identification des résultats du signal logique à deux chiffres. Ce travail fournit une nouvelle idée pour la conception de circuits photoniques intégrés ultra-rapides, à ultra-basse consommation d'énergie et à ultra-haute densité. + Explorer plus loin

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