基于导波空间模式编码的逆向设计紧凑型光逻辑门

《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》：Inverse-Designed Mode-Encoded Photonic Logic Gates with Reference-Light-Free Operation

　　摘要：光逻辑门为高速、节能的光子计算提供了一条有前景的途径。然而，传统的强度编码架构通常需要参考光或偏置光来实现非平凡的布尔函数，例如与非（NAND）和或非（NOR）。在此，我们提出了一种逆向设计的光逻辑门，它将在导波空间模式中而非光强度中编码二进制信息。在所提出的方案中，逻辑状态"0"和"1"由多模硅波导的 TE00 和 TE10 模式表示，这使得两种逻辑状态都能携带光功率，并消除了对外部参考光束的需求。利用全三维基于伴随法的拓扑优化，我们在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了六种双输入、单输出布尔门，包括与（AND）、或（OR）、异或（XOR）、与非（NAND）、或非（NOR）和同或（NXOR），其尺寸为 4×4 μm2。优化后的器件通过选择性地传输所需的光模式同时抑制不需要的模式串扰，实现了目标的真值表行为，确保每种输入组合都能产生与相应光模式（TE00、TE10）相对应的正确逻辑输出（0、1）。尽管仅在 1.55 μm 处进行了优化，但由于其依赖于分布式多模干涉而非窄带共振，异或（XOR）门在 1.5–1.6 μm 波段范围内保持了高于 5 dB 的信噪比（SNR）。我们还表明，仅通过调节两个输入信号之间的相对相位，相同的物理结构即可在异或（XOR）和同或（NXOR）操作之间切换。这些结果展示了紧凑型、宽带且可重构的模式编码布尔逻辑元件，同时指出了在向多级光子电路扩展时必须解决的功率和相位要求。