[发明专利]一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门及其实现方法。本发明基于梯度下降算法的反向设计为实现的光子器件提供了一个通用的平台，利于实现纳米光子器件的设计与集成；全光逻辑器件是光子集成回路中的重要组成部分，基于线性光学原理实现的全光逻辑异或门具有超快和超低能耗的优势；在极小尺寸范围内实现了全光异或门，有利于实现超紧凑，高集成度的全光集成回路；降低了器件设计的时间，提高了器件的性能，丰富了器件可实现的功能，减小了器件的尺寸，有利于实现超快响应、超低能耗、高集成度的片上全光集成回路；基于反向设计实现的全光集成器件在先进光子电路、全光信息处理、光通信等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及光子集成回路技术，具体涉及一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门及其实现方法。

背景技术

目前，超高速和大容量的信息处理要求采用光子作为信息的载体来设计全光集成回路。全全光逻辑异或门、全光调制器、全光逻辑器件等是光子集成回路中的重要组成部分，超高速、超小型、超高集成度的全光逻辑器件是实现全光计算的重要组成部分。设计实现全光逻辑器件通常采用传统的微纳结构，包括微环谐振腔、表面等离激元、超材料等规则或周期性结构，结构的设计主要基于时域有限差分法、有限元法等求解麦克斯韦方程组。然而，利用这些方法设计光学微纳结构通常是一个漫长重复的过程，需要手动调整参数，例如波导的宽度、微环的半径、微环与波导的间距，表面等离激元波导与微腔的参数、超材料的周期和单元结构的各个尺寸参数等，并通过反复计算来得到最终能实现逻辑功能的结构参数。对于解决这种重复性计算的问题，人们提出反向设计方法，即把这个复杂重复的过程交给计算机去处理，该方法更适用于光学微纳结构的设计和优化问题，它是一种基于期望功能特征计算未知光学结构或优化已知结构的算法技术。人们指定期望的电磁场分布或器件功能等其他特性，然后通过算法让计算机找到满足这些要求的介电结构，这是一种更直观和计算效率更高的设计策略。

目前，人们已经基于反向设计算法设计出许多性能优越的器件，例如接近100％耦合效率的耦合光栅、功率分配器、偏振分束器等。Andrew等人利用反向设计算法优化设计了一种接近100％耦合效率的双层垂直硅基耦合光栅，在1550nm时实现了99.2％(-0.035dB)的光栅耦合效率。Shen等人采用非线性优化算法设计了一个尺寸为2.4×2.4um²，波长为1550nm微纳光学偏振分束器。该器件平均传输效率大于70％(峰值传输效率约80％)并且在32nm带宽内的消光比大于10dB。Jason等人研究了采用二元粒子群算法在硅基光子平台上设计实现超紧凑的二维网格式功率分束器。该功率分配器尺寸为4.8×4.8um²，由200nm×200nm和100nm×100nm单元组成。但是，这些性能优越的器件主要基于线性光学的原理，利用光的干涉叠加与散射等原理实现器件功能。光计算类的器件，例如光学逻辑器件方面的报道还比较少。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门。