مدار فوتونیک مجتمع با کارایی بالا بر اساس روش طراحی معکوس

با رشد انفجاری اطلاعات و داده‌ها، مدارهای مجتمع فوتونیکی و تراشه‌ها نیازمندی‌های بالاتری برای زمان پاسخگویی فوق‌العاده سریع، اندازه بسیار کوچک، آستانه انرژی بسیار کم و چگالی ادغام بالا هستند. مدار مجتمع فوتونیک از ساختار میکرو/نانو تشکیل شده است و از فوتون به جای الکترون به عنوان حامل اطلاعات استفاده می کند. مدارهای مجتمع فوتونیک سنتی مبتنی بر ساختارهای مشابه فون نویمان عمدتاً از ساختارهای منظم یا دوره ای مانند تشدیدگرهای میکرو حلقه، بلورهای فوتونی (PC)، پلاریتون های پلاسمون سطحی (SPPs) و متامواد و غیره استفاده می کنند. چنین ساختارهای دی الکتریک معمولاً به اندازه بزرگ نیاز دارند که باعث می شود اندازه کلی مدار بزرگ باشد، معمولاً به صدها میکرون می رسد. اگرچه اندازه مدارهای SPP کوچک است، اما تلفات انتقال عظیم آنها هنوز برای محدود کردن تحقق مصرف انرژی کم مشکلی بزرگ است. برای تحقق توابع پیچیده، دستگاه‌های سنتی معمولاً از مواد غیرخطی استفاده می‌کنند. با این حال، تناقض بین پاسخ فوق سریع و ضریب غیر خطی بزرگ مواد غیر خطی منجر به تناقض بین پاسخ فوق سریع و مصرف انرژی بسیار کم می شود. تاکنون، تحقق یک مدار فوتونیک یکپارچه با عملکرد بالا در ادغام با چگالی فوق العاده بالا، پاسخ فوق سریع و مصرف انرژی بسیار کم چالش بزرگی است.

به طور سنتی، طراحی دستگاه‌های میکرو/نانو عمدتاً مبتنی بر روش دامنه زمانی تفاضل محدود (FDTD) و روش اجزای محدود (FEM) از طریق حل معادلات ماکسول است، اما روش‌ها معمولاً شامل یک فرآیند طولانی از طریق محاسبات مکرر برای بهینه‌سازی پارامترهای ساختاری هستند. با تنظیم دستی پارامترهای نانوساختارها مانند عرض موجبرها، قطر سوراخ‌های هوا و اندازه حلقه‌های ریز و غیره. روش طراحی معکوس، با استفاده از تکنیک الگوریتم برای محاسبه ساختارهای نوری ناشناخته یا بهینه‌سازی ساختارهای شناخته شده بر اساس ویژگی های عملکردی مورد انتظار، برای طراحی و بهینه سازی ساختارهای میکرو/نانو نوری مناسب تر است. روش طراحی معکوس می تواند عملکرد یک دستگاه منفرد را بهینه کند یا عملکرد کل مدار را غنی کند، مانند کوپلرهای گریتینگ با کارایی بالا، دممولتی پلکسر طول موج، تقسیم کننده قدرت، تقسیم کننده پرتو قطبی و غیره. روش طراحی معکوس برای طراحی و بهینه سازی مدارهای مجتمع فوتونیک و انتظار می رود از گلوگاه قابلیت پردازش اطلاعات روی تراشه عبور کند.

نویسندگان این مقاله رویکردی مبتنی بر روش طراحی معکوس را برای تحقق یک مدار فوتونی یکپارچه با چگالی بالا، فوق سریع و مصرف انرژی بسیار کم ارائه کردند و به صورت تجربی نشان دادند. گروه تحقیقاتی الگوریتم طراحی معکوس را برای پاسخگویی به تقاضای بهینه سازی عملکرد کل مدار بهبود بخشید. مزیت الگوریتم وجود توزیع میدان الحاقی بود. روش الحاقی مستلزم ثابت دی الکتریک "افت یک پله" در امتداد جهت نزول گرادیان بود، گرادیان با توجه به تابع هدف محاسبه شد و ثابت دی الکتریک در امتداد جهت گرادیان تکرار شد.

مدار شامل سه دستگاه با دو سوئیچ تمام نوری است که حالت های ورودی یک گیت منطقی XOR را کنترل می کند. اندازه ویژگی کل مدار فقط 2.5 میکرومتر × 7 میکرومتر بود و اندازه یک دستگاه منفرد 2 میکرومتر × 2 میکرومتر بود. فاصله بین دو دستگاه مجاور به اندازه 1.5 میکرومتر، در مقیاس بزرگی طول موج بود. از طریق پراکندگی نانوساختارهای بی نظم با طراحی معکوس، توزیع میدان حالت نور سیگنال تغییر کرد. هنگامی که نور سیگنال ورودی، می تواند از طریق نانوساختارهای بی نظم منتقل شود. هنگامی که نور کنترلی وارد می شود، میدان حالت دو چراغ به طور منسجم روی هم قرار می گیرد، که توزیع میدان حالت نور سیگنال و نور کنترل را تغییر می دهد، بنابراین نور سیگنال نمی تواند از طریق نانوساختارهای بی نظم منتقل شود. زمان پاسخ نظری سوئیچ تمام نوری با طرح معکوس 100 fs و انرژی آستانه نور کنترل 10 fJ/bit برابر با نور سیگنال سوئیچ تمام نوری بود. زمان پاسخگویی گیت منطقی 20 fs بود. گروه تحقیقاتی همچنین مشکل تداخل را از طریق کل فرآیند بهینه سازی مدار مجتمع در نظر گرفت. مدار نه تنها سه دستگاه را ادغام می‌کند، بلکه عملکردی را نیز در شناسایی نتایج سیگنال منطقی دو رقمی انجام می‌دهد. این کار ایده جدیدی برای طراحی مدار فوتونیک مجتمع فوق سریع، مصرف انرژی فوق العاده کم و چگالی فوق العاده بالا ارائه می دهد.