Uma nova publicação da Avanços Opto-Eletrônicos discute circuito fotônico integrado de alto desempenho baseado no método de projeto inverso.
Com o crescimento explosivo de informações e dados, circuitos integrados fotônicos e chips têm requisitos mais altos para tempo de resposta ultrarrápido, tamanho ultrapequeno, limite de energia ultrabaixo e alta densidade de integração. O circuito integrado fotônico é composto de micro/nano estrutura e utiliza fótons ao invés de elétrons como portador de informação. Os circuitos integrados fotônicos tradicionais baseados em estruturas do tipo von Neumann usam principalmente estruturas regulares ou periódicas, como ressonadores de micro-anel, cristais fotônicos (PC), polaritons de plasmon de superfície (SPPs) e metamateriais, etc. Tais estruturas dielétricas geralmente precisam de um tamanho grande, causando o tamanho geral do circuito grande, geralmente atinge centenas de mícrons. Embora o tamanho dos circuitos SPPs seja pequeno, sua enorme perda de transmissão ainda é uma tremenda dificuldade para limitar a realização de baixo consumo de energia. Para realizar funções complexas, os dispositivos tradicionais geralmente adotam materiais não lineares. No entanto, a contradição entre a resposta ultrarrápida e o grande coeficiente não linear de materiais não lineares leva à contradição entre a resposta ultrarrápida e o consumo de energia ultrabaixo. Até agora, ainda é um grande desafio realizar um circuito fotônico integrado com alto desempenho de integração de densidade ultra-alta, resposta ultrarrápida e consumo de energia ultra-baixo.

Tradicionalmente, os projetos de micro/nanodispositivos são baseados principalmente no método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) e método de elementos finitos (FEM) através da resolução de equações de maxwell, mas os métodos geralmente envolvem um longo processo através de cálculos repetidos para otimizar parâmetros estruturais ajustando manualmente os parâmetros das nanoestruturas, como a largura dos guias de onda, o diâmetro dos orifícios de ar e o tamanho dos microanéis, etc. Método de projeto inverso, usando a técnica de algoritmo para calcular estruturas ópticas desconhecidas ou otimizar estruturas conhecidas com base em características funcionais esperadas, é mais adequado para o projeto e otimização de micro/nanoestruturas ópticas. O método de projeto inverso pode otimizar o desempenho de um único dispositivo ou enriquecer a função de todo o circuito, como acopladores de grade de alto desempenho, demultiplexador de comprimento de onda, divisor de potência, divisor de feixe de polarização, etc. O método de projeto inverso é mais adequado para o projeto e otimização de circuitos integrados fotônicos e espera-se romper o gargalo da capacidade de processamento de informações no chip.

Os autores deste artigo propuseram e demonstraram experimentalmente uma abordagem baseada no método de projeto inverso para realizar um circuito fotônico integrado de alta densidade, ultrarrápido e ultrabaixo consumo de energia. O grupo de pesquisa aprimorou o algoritmo de projeto inverso para atender à demanda de otimizar o desempenho de todo o circuito. A vantagem do algoritmo foi a existência de distribuição de campos adjuntos. O método adjunto exigia que a constante dielétrica "desça um passo" ao longo da direção de descida do gradiente, o gradiente foi calculado de acordo com a função objetivo e a constante dielétrica foi iterada ao longo da direção do gradiente.

O circuito é composto por três dispositivos com duas chaves totalmente ópticas que controlam os estados de entrada de uma porta lógica XOR. O tamanho do recurso de todo o circuito era de apenas 2,5 μm × 7 μm, e o de um único dispositivo era de 2 μm × 2 μm. A distância entre dois dispositivos adjacentes foi tão pequena quanto 1,5 μm, dentro da escala de magnitude de comprimento de onda. Através da dispersão das nanoestruturas desordenadas de design inverso, a distribuição de modo de campo da luz do sinal foi alterada. Quando o sinal de entrada de luz, ele pode transmitir através das nanoestruturas desordenadas. Quando a luz de controle entra, o campo de modo de duas luzes se sobrepõe de forma coerente, o que altera a distribuição do campo de modo da luz de sinal e da luz de controle, portanto, a luz de sinal não pode ser transmitida através das nanoestruturas desordenadas. O tempo de resposta teórico do comutador totalmente óptico de design inverso foi de 100 fs, e a energia limite da luz de controle foi de 10 fJ/bit, igual à luz do sinal para o comutador totalmente óptico. O tempo de resposta da porta lógica foi de 20 fs. O grupo de pesquisa também considerou o problema do crosstalk em todo o processo de otimização do circuito integrado. O circuito não apenas integrou três dispositivos, mas também realizou uma função de identificar resultados de sinais lógicos de dois dígitos. Este trabalho fornece uma nova ideia para o projeto de circuitos fotônicos integrados ultrarrápidos, ultra-baixos e de ultra-alta densidade. + Explorar mais

Um novo método de comutação totalmente óptico torna os sistemas de comunicação e computação óptica mais eficientes em termos de energia