[發明專利]一種基于梯度下降算法的全光邏輯異或門及其實現方法

有效

• 申請號: 202110376898.2
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113156739B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 胡小永;龔旗煌;齊慧欣;杜卓晨;楊佳宇
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02F3/00
• 分類號: G02F3/00;G02F7/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種基于梯度下降算法的全光邏輯異或門及其實現方法。本發明基于梯度下降算法的反向設計為實現的光子器件提供了一個通用的平臺，利于實現納米光子器件的設計與集成；全光邏輯器件是光子集成回路中的重要組成部分，基于線性光學原理實現的全光邏輯異或門具有超快和超低能耗的優勢；在極小尺寸范圍內實現了全光異或門，有利于實現超緊湊，高集成度的全光集成回路；降低了器件設計的時間，提高了器件的性能，豐富了器件可實現的功能，減小了器件的尺寸，有利于實現超快響應、超低能耗、高集成度的片上全光集成回路；基于反向設計實現的全光集成器件在先進光子電路、全光信息處理、光通信等領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及光子集成回路技術，具體涉及一種基于梯度下降算法的全光邏輯異或門及其實現方法。

背景技術

目前，超高速和大容量的信息處理要求采用光子作為信息的載體來設計全光集成回路。全全光邏輯異或門、全光調制器、全光邏輯器件等是光子集成回路中的重要組成部分，超高速、超小型、超高集成度的全光邏輯器件是實現全光計算的重要組成部分。設計實現全光邏輯器件通常采用傳統的微納結構，包括微環諧振腔、表面等離激元、超材料等規則或周期性結構，結構的設計主要基于時域有限差分法、有限元法等求解麥克斯韋方程組。然而，利用這些方法設計光學微納結構通常是一個漫長重復的過程，需要手動調整參數，例如波導的寬度、微環的半徑、微環與波導的間距，表面等離激元波導與微腔的參數、超材料的周期和單元結構的各個尺寸參數等，并通過反復計算來得到最終能實現邏輯功能的結構參數。對于解決這種重復性計算的問題，人們提出反向設計方法，即把這個復雜重復的過程交給計算機去處理，該方法更適用于光學微納結構的設計和優化問題，它是一種基于期望功能特征計算未知光學結構或優化已知結構的算法技術。人們指定期望的電磁場分布或器件功能等其他特性，然后通過算法讓計算機找到滿足這些要求的介電結構，這是一種更直觀和計算效率更高的設計策略。

目前，人們已經基于反向設計算法設計出許多性能優越的器件，例如接近100％耦合效率的耦合光柵、功率分配器、偏振分束器等。Andrew等人利用反向設計算法優化設計了一種接近100％耦合效率的雙層垂直硅基耦合光柵，在1550nm時實現了99.2％(-0.035dB)的光柵耦合效率。Shen等人采用非線性優化算法設計了一個尺寸為2.4×2.4um²，波長為1550nm微納光學偏振分束器。該器件平均傳輸效率大于70％(峰值傳輸效率約80％)并且在32nm帶寬內的消光比大于10dB。Jason等人研究了采用二元粒子群算法在硅基光子平臺上設計實現超緊湊的二維網格式功率分束器。該功率分配器尺寸為4.8×4.8um²，由200nm×200nm和100nm×100nm單元組成。但是，這些性能優越的器件主要基于線性光學的原理，利用光的干涉疊加與散射等原理實現器件功能。光計算類的器件，例如光學邏輯器件方面的報道還比較少。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種基于梯度下降算法的全光邏輯異或門及其實現方法。

本發明的一個目的在于提出一種基于梯度下降算法的全光邏輯異或門。