杜特 馬漢斯2) 姜鑫鵬 趙芬3) 張兆健 王志成 彭政 張伊祎5) 張煜青 羅鳴宇5) 鄒宏新 吳加貴閆培光 朱剛毅 于洋 何新 陳歡 張振福 楊俊波?

1) (國防科技大學(xué)理學(xué)院,長沙 410073)

2) (國防科技大學(xué)計算機學(xué)院,長沙 410073)

3) (重慶理工大學(xué)兩江人工智能學(xué)院,重慶 400054)

4) (西南大學(xué)人工智能學(xué)院,重慶 400715)

5) (廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院,南寧 530004)

6) (深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,深圳 518060)

7) (南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,南京 210023)

光互連技術(shù)相比于電互連等傳統(tǒng)通信技術(shù)具有帶寬大、能耗低、抗干擾等系列優(yōu)勢,正在逐漸成為短距離、甚短距離數(shù)據(jù)終端間通信的重要手段和發(fā)展趨勢.基于絕緣體上硅的片上光互連技術(shù)作為光互連在芯片尺度上的實現(xiàn),在一系列復(fù)用技術(shù)的支持下得到了非常廣泛的應(yīng)用.智能設(shè)計方法具有原理直觀、設(shè)計自由度高、材料兼容性好等優(yōu)點.隨著智能設(shè)計方法在片上光互連器件設(shè)計活動中的廣泛應(yīng)用,目前片上光互連器件逐漸呈現(xiàn)出超緊湊化、可調(diào)控化、系統(tǒng)集成化等重要發(fā)展趨勢.本文首先歸納了幾種目前最常用的片上光互連器件的智能設(shè)計方法,然后詳細分析了智能化設(shè)計的片上光互連器件的幾個重大研究進展與趨勢,最后對未來智能化設(shè)計的片上光互連器件的發(fā)展進行了展望.

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,各種規(guī)模的數(shù)據(jù)終端之間的通信速率和通信容量面臨著更高的要求和更大的挑戰(zhàn).光通信和光互連技術(shù)被認為是解決這一問題的根本途徑[1].相比于以銅線為傳輸媒介的電互連,光互連憑借其帶寬大、速率高、成本低、能耗低、抗電磁干擾等優(yōu)勢,成為了短距離數(shù)據(jù)中心之間、甚短距離計算機之間甚至集成電路之間數(shù)據(jù)通信的最佳解決方案[1-3].特別是近些年來,基于絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)的片上光互連技術(shù)在波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)技術(shù)、偏振復(fù)用(polarization division multiplexing,PDM)技術(shù)、光時分復(fù)用(optical time division multiplexing,OTDM)技術(shù)和空分復(fù)用(space division multiplexing,SDM)技術(shù)等多種復(fù)用技術(shù)的支持下得到了非常廣泛的應(yīng)用[4-15].這些技術(shù)使得片上光互連技術(shù)能夠進一步提升傳輸容量、加快處理速度、降低成本以及削減能耗[1,16-19].

一段時間以來,有大量的基于耦合模(coupledmode)理論、多模干涉(multi-mode interference)理論、傳輸線(transmission line)理論等傳統(tǒng)設(shè)計方法的片上光互連器件問世[20-26].這些器件為短距離至甚短距離數(shù)據(jù)終端之間信息的傳輸提供了重要的硬件基礎(chǔ),也極大地拓展了光互連的應(yīng)用場景.但與此同時,這些傳統(tǒng)設(shè)計方法在設(shè)計器件時往往會面臨設(shè)計思路不直接、人力成本高的問題,設(shè)計出的器件很多也會面臨緊湊度和集成度不足、功能單一等限制[27-31].

近年來,智能化設(shè)計在整個光子器件設(shè)計領(lǐng)域呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展趨勢[32-36].利用智能設(shè)計方法,人們設(shè)計出了大量的外形、結(jié)構(gòu)和功能都很新穎的光子器件[37-43].智能設(shè)計方法一般是指利用各種人工智能技術(shù)來解決復(fù)雜設(shè)計問題的方法,它們通過模仿一些自然規(guī)律或者基于一些數(shù)學(xué)原理來尋找或接近目標,可主動尋找規(guī)律,自動學(xué)習(xí)和優(yōu)化[44].在許多情況下,智能設(shè)計方法都是解決各種具有挑戰(zhàn)性的工程問題的實用技術(shù)[44].相比于傳統(tǒng)的光子器件設(shè)計方法,智能設(shè)計方法的原理簡單、操作方便,且優(yōu)化過程不需要大量復(fù)雜的理論推導(dǎo)以及對物理過程細節(jié)的探究,因此能夠讓研究者更加專注于器件的設(shè)計活動本身.另外,與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,智能設(shè)計方法的設(shè)計自由度更高,更有利于設(shè)計多功能器件,也更容易在較小的區(qū)域內(nèi)得到符合設(shè)計要求的器件結(jié)構(gòu)[45-49].與傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果相比,智能化設(shè)計的光子器件在緊湊度和功能豐富度方面有了大幅的提升[50-52].與此同時,智能設(shè)計方法往往能夠兼容各種光學(xué)材料,從而設(shè)計出基于各種材料的器件結(jié)構(gòu).這一特點使得智能設(shè)計方法的應(yīng)用范圍得到了極大的拓寬,也使得研究者在設(shè)計基于各種材料的器件時無需單獨探究每種材料的特性,從而能夠更加專注于器件功能、尺寸等方面的優(yōu)化[53-56].基于以上優(yōu)勢,智能化設(shè)計大幅解決了傳統(tǒng)方法在設(shè)計器件時所面臨的多個問題和挑戰(zhàn),使得包含片上光互連器件在內(nèi)的大量光子器件得到了進一步的優(yōu)化.

隨著智能設(shè)計方法在片上光互連器件設(shè)計活動中的廣泛應(yīng)用,目前片上光互連器件已經(jīng)取得了超緊湊化、可調(diào)控化、系統(tǒng)集成化等可喜的進展,也在這些方面呈現(xiàn)出了更進一步發(fā)展的趨勢.本文對目前常用的片上光互連器件的智能設(shè)計方法進行介紹,并詳細分析智能化設(shè)計的片上光互連器件的這幾個重要研究進展與趨勢.

本文共包含6 節(jié).第1 節(jié)是文章的引言,整體介紹了片上光互連技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展現(xiàn)狀、智能設(shè)計方法的優(yōu)點和解決力以及本文的整體思路.第2節(jié)介紹、歸納、分析了常用的光子器件的智能設(shè)計方法,主要包括幾種基于經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法.第3 節(jié)從不同的角度介紹了智能設(shè)計方法在設(shè)計片上光互連器件時的顯著優(yōu)勢,即大幅提升所設(shè)計器件的緊湊度,為包含片上光互連系統(tǒng)在內(nèi)的片上光子回路的大規(guī)模集成提供了重要的基礎(chǔ)條件.第4 節(jié)介紹了“相變材料”這一新興材料的獨特優(yōu)勢,以及基于智能設(shè)計方法對材料的廣泛適應(yīng)性而設(shè)計的片上可調(diào)控光互連器件.第5 節(jié)介紹了幾種基于智能設(shè)計方法的推動片上光互連器件系統(tǒng)集成化的方式.第6 節(jié)對目前智能化設(shè)計的片上光互連器件的研究進展進行了總結(jié),并對相關(guān)領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢做出了展望.

2 光子器件的智能設(shè)計方法

隨著光子學(xué)研究的發(fā)展與光子器件的大規(guī)模應(yīng)用,光互連、光計算、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、超透鏡、超表面等新興應(yīng)用所展示出的獨特優(yōu)勢讓人們對各種結(jié)構(gòu)、功能的光子器件產(chǎn)生了前所未有的興趣[57-68].近年來,智能設(shè)計方法在光子器件設(shè)計領(lǐng)域呈現(xiàn)出了蓬勃的發(fā)展趨勢.利用智能設(shè)計方法,設(shè)計出了大量具有新穎的外形、結(jié)構(gòu)和功能的光子器件.

本節(jié)介紹、歸納、分析了幾種應(yīng)用廣泛的光子器件的智能設(shè)計方法,并從幾個角度分析了它們在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的優(yōu)勢.本節(jié)所歸納的智能設(shè)計方法主要可以分為基于經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法兩大類,它們是目前光子器件智能化設(shè)計領(lǐng)域最活躍的方向,也代表了光子器件智能化設(shè)計的發(fā)展趨勢.這些方法的提出與應(yīng)用,給包含片上光互連器件在內(nèi)的大量光子器件提供了豐富的設(shè)計工具,也創(chuàng)造出了一大批功能新穎、性能優(yōu)良的新型光子器件.

2.1 現(xiàn)有的代表性光子器件智能設(shè)計方法

隨著計算機性能的不斷提高,充分利用計算機強大的計算能力幫助人類解決各種科學(xué)技術(shù)問題一直是人們追求的目標.基于這個目標,各種各樣的智能設(shè)計方法如雨后春筍般在光子器件設(shè)計領(lǐng)域不斷涌現(xiàn).本節(jié)選取了幾種最為常用的智能設(shè)計方法,包括幾種基于經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法.在它們的輔助下,人們設(shè)計出了大量種類繁多、功能齊全的光子器件.可以預(yù)見的是,這些智能設(shè)計方法將繼續(xù)為包含片上光互連器件在內(nèi)的光子器件的設(shè)計提供充足的動力.為了更加充分地展示智能設(shè)計方法的優(yōu)勢,如卓越的設(shè)計能力和廣泛的適用性,本小節(jié)中列舉的一些智能化設(shè)計成果不局限于片上光互連器件.

2.1.1 基于經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法

下面介紹基于遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、直接二進制搜索算法、伴隨法等經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法及它們在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.這些智能設(shè)計方法的主體部分為算法優(yōu)化,研究者通過選擇合適的優(yōu)化內(nèi)容與優(yōu)化目標,以及設(shè)置與調(diào)整算法的初始參量等操作,使得算法能夠找到滿足優(yōu)化目標的結(jié)果(一般為器件結(jié)構(gòu)).

1975 年,美國的J.Holland 教授提出了遺傳算法(genetic algorithm,GA)的概念[69].該算法借鑒了進化學(xué)說中優(yōu)勝劣汰的思想,通過個體基因的不斷迭代獲得最優(yōu)解.算法的一個典型的流程圖如圖1(a)所示.作為一種啟發(fā)式算法,GA 擁有很好的全局搜索能力,不易陷入局部最優(yōu),因此在片上光互連器件的設(shè)計中備受關(guān)注[70-72].例如,2009 年,Sanchis 等[70]設(shè)計了模式可擴展的交叉波導(dǎo),在傳統(tǒng)交叉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對交叉區(qū)域的波導(dǎo)進行分段,通過GA 優(yōu)化每段波導(dǎo)的寬度,以得到最大的傳輸效率,減小因波導(dǎo)交叉造成的損耗.該模式可擴展交叉波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示[70].又如,2017 年,Yu 等[71]提出的基于多模干涉耦合器(multi-mode interference,MMI)結(jié)構(gòu)的超緊湊偏振旋轉(zhuǎn)器,先將設(shè)計區(qū)域劃分為多個同等大小的像素點,再利用GA 對結(jié)構(gòu)所要刻蝕的像素點位置數(shù)量進行優(yōu)化,實現(xiàn)了1440–1580 nm 波長范圍內(nèi)TE00到TM00的偏振旋轉(zhuǎn),如圖1(c)所示.2019 年,Liu 等[72]也利用GA 設(shè)計了一種波長路由器,尺寸僅有1.4 μm×1.8 μm.與上文提到的偏振旋轉(zhuǎn)器不同,器件在初始化時沒有采用劃分均勻像素點的方式,而是在設(shè)計區(qū)域使用多種不同規(guī)則排列的單元模型,通過GA 優(yōu)化模型位置調(diào)節(jié)光的傳輸.圖1(d)給出了該波長路由器的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)成像圖[72].

圖1 典型的GA 流程圖及GA 在片上光子器件設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) 一個典型的GA 流程圖;(b) 利用GA 設(shè)計的模式可擴展的交叉波導(dǎo)[70];(c) 利用GA 設(shè)計的超緊湊偏振旋轉(zhuǎn)器[71];(d) 利用GA 設(shè)計的波長路由器[72]Fig.1.Typical flowchart of GA and its application in on-chip photonic devices design: (a) A typical GA flowchart;(b) mode-extensible crossing waveguide designed by GA[70];(c) ultra-compact polarization rotator designed by GA[71];(d) wavelength router designed by GA[72].

粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法,其基本思想是模擬鳥群、魚群等群體動物的生存行為,通過不斷調(diào)整粒子的速度和位置,優(yōu)化目標函數(shù),找到最優(yōu)解.PSO 算法由Kennedy 和Eberhart[73]于1995 年提出,其基本優(yōu)化原理如圖2(a)所示.PSO 算法原理簡單易懂,容易實現(xiàn),因此在光子器件的設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用[74-76].例如,2020 年,Chen等[74]利用PSO 算法優(yōu)化了反錐形耦合器結(jié)構(gòu),設(shè)計出一種片上偏振分束器,其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示.該片上偏振分束器能夠在5 μm 的長度內(nèi)實現(xiàn)TE0模式和TM0模式的分束.2021 年,Qin 等[75]利用PSO 算法優(yōu)化設(shè)計了一種單層超臨界透鏡,可以在原子厚度的尺度上實現(xiàn)光波相位的調(diào)控,它的SEM成像圖如圖2(c)所示.2022 年,Chen 等[76]又利用PSO 算法通過優(yōu)化錐形耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種多模式功率分束器.該多模式功率分束器能夠?qū)崿F(xiàn)對TE0–TE4共5 種模式的3 dB功率分束,其結(jié)構(gòu)如圖2(d)所示.

圖2 PSO 算法的流程圖及PSO 算法在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) PSO 算法的流程圖;(b) 利用PSO 算法設(shè)計的片上偏振分束器[74];(c) 利用PSO 算法優(yōu)化設(shè)計的單層超臨界透鏡的SEM 圖[75];(d) 利用PSO 算法設(shè)計的片上多模式功率分束器[76]Fig.2.Flowchart of PSO algorithm and its application in photonic devices design: (a) Flowchart of PSO algorithm;(b) on-chip polarization beam splitter designed by PSO algorithm[74];(c) SEM image of single-layer supercritical lens optimized by PSO algorithm[75];(d) on-chip multi-mode power beam splitter designed by PSO algorithm[76].

直接二進制搜索(direct binary search,DBS)算法是一種通過將狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換為二進制編碼空間從而進行求解的優(yōu)化算法.1987 年,Seldowitz 等[77]首次提出了DBS 算法并將其應(yīng)用于全息光學(xué)設(shè)計.自此,DBS 算法進入了光子學(xué)領(lǐng)域研究者們的視野.DBS 算法的優(yōu)化流程如圖3(a)所示.DBS算法適合于求解簡單的優(yōu)化問題,是目前逆向設(shè)計算法中最常用的算法之一.該算法因其操作十分簡單,收斂速度快,不需要復(fù)雜的理論推導(dǎo)和計算,吸引了光子器件設(shè)計研究者們的興趣[78-81].2014 年,DBS 算法首次被Shen 等[78]應(yīng)用于光子器件設(shè)計領(lǐng)域.自此以后,DBS 算法被廣泛應(yīng)用于各種光子器件設(shè)計中[79-81].2015 年,Shen 等[79]利用DBS算法設(shè)計了尺寸僅為2.4 μm×2.4 μm 的超緊湊偏振分束器,如圖3(b)所示.實驗結(jié)果表明,在32 nm的帶寬范圍內(nèi),TE 和TM 模式的傳輸效率都在70%以上,相應(yīng)的消光比大于10 dB.該器件的成功設(shè)計,證明了DBS 算法應(yīng)用在片上光互連器件設(shè)計領(lǐng)域的可行性.2016 年,Wen 等[80]提出了一種改良的DBS 算法,設(shè)計了一種類似條形碼的一維納米結(jié)構(gòu),用于芯片與光纖的耦合,解決了耦合角和偏振問題,如圖3(c)所示.2017 年,Zhou 等[81]利用DBS 算法設(shè)計了一個雙通道的波長解復(fù)用器,如圖3(d)所示.該器件具有2.6μm×5μm的超緊湊占地面積,在實驗中顯示出了-2.3dB 的插入損耗、-16.4dB的串擾.這些優(yōu)點使其成為下一代芯片級光通信的有前途的組件.

圖3 DBS 算法的流程圖及DBS 算法在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) DBS 算法具體優(yōu)化流程圖;(b) 基于DBS 算法設(shè)計的偏振分束器的結(jié)構(gòu)圖,以及波長為1550 nm 的TE 和TM 通過該器件時的光場圖[79];(c) 利用改良的DBS 算法設(shè)計的離散化納米結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖[80];(d) 利用DBS 算法設(shè)計的雙通道波長解復(fù)用器及不同波長的光通過該器件時的光場圖[81]Fig.3.Flowchart of DBS algorithm and its application in photonic device design: (a) Flowchart of DBS algorithm;(b) structure diagram of the polarization beam splitter designed by DBS algorithm,and the light field diagram of TE and TM with a wavelength of 1550 nm passing through the device[79];(c) side view of the discretized nanostructures designed by the improved DBS algorithm[80];(d) dual-channel wavelength demultiplexer designed by DBS algorithm,and the optical field diagram when light of different wavelengths passing through the device[81].

伴隨法(adjoint method,AM)是為了解決物理問題而提出的[82].自提出以來,它已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)模型的優(yōu)化設(shè)計[83-85].近十年來,AM 也被廣泛應(yīng)用于光子器件的拓撲優(yōu)化設(shè)計過程中[86-88].AM 是基于梯度信息進行優(yōu)化的,其核心思想是使用兩次仿真的所得到的信息求出“全局梯度”,再使用處理梯度信息的方法等進行優(yōu)化[89].得益于對梯度信息的利用,AM 的優(yōu)化收斂速度很快,且優(yōu)化得到的光子器件性能較好,在設(shè)計復(fù)雜功能光子器件時有一定優(yōu)勢.時至今日,已有大量的利用AM 設(shè)計的片上光子器件問世.例如,2013 年,Lalau-Keraly 等[86]對AM 在光子器件設(shè)計中的原理進行介紹,并使用AM 對一個功率分束器進行形狀優(yōu)化,在2 μm×2 μm 的區(qū)域內(nèi)優(yōu)化得到的分束器插入損耗低至0.07 dB,如圖4(a)所示.2018 年,Hughes 等[87]將AM 應(yīng)用到非線性光子器件的設(shè)計中,進行了完整的推導(dǎo)并開發(fā)了一個完整的優(yōu)化方法,而后使用頻域有限差分法進行數(shù)值仿真.他們設(shè)計了兩種光子器件,當光功率較低時和較高時,光子器件所實現(xiàn)的功能不一樣,如圖4(b)和圖4(c)所示.2018 年,Michaels 和Yablonovitch[88]使用AM 對垂直光柵耦合器進行優(yōu)化設(shè)計,首先得到的光柵耦合器在1550nm處得到耦合效率為99.2%(-0.035dB)的器件,如圖4(d)所示.后續(xù)對該器件進行了約束優(yōu)化,以實現(xiàn)耦合效率超過96%和背反射小于-40 dB 的垂直耦合器,并可以使用65 nm 分辨率的光刻機進行制作.

圖4 AM 在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) 利用AM 設(shè)計的功率分束器[86];(b),(c) 基于AM 提出的兩種非線性光子器件[87];(d) 使用AM 優(yōu)化的垂直光柵耦合器[88]Fig.4.Application of AM in photonic device design: (a) Power splitter designed by AM[86];(b),(c) two nonlinear photonic devices designed by AM[87];(d) vertical grating couplers optimized by AM[88].

2.1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)是一種模仿大腦神經(jīng)系統(tǒng)工作的強有力的計算模型,可以利用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和解決問題.它無需事先確定輸入輸出之間的映射關(guān)系,可以通過對自身的訓(xùn)練,得到所需要的映射關(guān)系和規(guī)則,從而在給定輸入值時得到最接近期望輸出值的結(jié)果.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)起源于20 世紀50 年代,到20 世紀90 年代,誤差反向傳播(error back propagation)算法的提出使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠處理更加復(fù)雜的問題[90].時至今日,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已全方位地走進人類生產(chǎn)生活的各個方面,在目標識別[91-100]、自然語言處理[101-110]、智能交互[111-113]等很多領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用.隨著計算機性能的不斷提高,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域也變得愈加廣泛.

自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興起以來,各種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型層出不窮,數(shù)不勝數(shù).近些年來,已有多種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法出現(xiàn)在了包含光互連器件在內(nèi)的光子器件的設(shè)計過程中.

2019 年,Hammond 等[114]開發(fā)了一種實用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)架構(gòu),包括用作“正向”設(shè)計和“逆向”設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).作為示例,他們利用這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并制造了幾個集成布拉格光柵,如圖5(a)所示.經(jīng)過訓(xùn)練,他們提出的ANN 的預(yù)測結(jié)果與實驗測量結(jié)果吻合得很好,證明了ANN 在片上光子器件設(shè)計領(lǐng)域的成功.類似地,2021 年,Tu 等[115]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural network,DNN)設(shè)計了一種光柵耦合器,如圖5(b)所示.他們也建立了一種由光柵結(jié)構(gòu)到光學(xué)響應(yīng)的“正向”深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和一種更復(fù)雜的、由光學(xué)響應(yīng)到光柵結(jié)構(gòu)的“逆向”深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最終得到了較高的預(yù)測精度和較好的器件性能.這兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法最常用的.

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光子器件設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的布拉格光柵[114];(b) 利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的光柵耦合器[115];(c) 用來預(yù)測超表面中的超原子光響應(yīng)的PNN 架構(gòu)[116]Fig.5.Application of neural network in photonic device design: (a) Bragg grating based on ANN architecture[114];(b) grating couplers designed using DNN[115];(c) PNN architecture for predicting meta-atom light responses in metasurfaces[116].

除了片上光子器件設(shè)計領(lǐng)域,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化設(shè)計方法還在超表面等空間光調(diào)制器件設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用.例如,2022 年,An 等[116]關(guān)注于近場耦合效應(yīng)對超表面設(shè)計的影響,提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的方法來預(yù)測大面陣中每一個超原子的精確電磁場響應(yīng).首先,他們通過仿真軟件CST 建立目標超原子的仿真數(shù)據(jù)集,并基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network,CNN)建立預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型PNN (predicting neural network),將目標超原子與鄰近超原子的幾何參數(shù)作為輸入,就可快速得到目標超原子的局部電磁場響應(yīng).該預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型的架構(gòu)示意圖如圖5(c)所示.該方法可用于提升超表面的效率,如有效提升光束偏轉(zhuǎn)器和超透鏡的效率.由于結(jié)構(gòu)間的相互耦合作用被簡化為一維模型,后續(xù)還需要考慮復(fù)雜耦合模型的預(yù)測問題,并用于提升多功能超表面的光響應(yīng).與傳統(tǒng)方法相比,利用他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出的光束偏轉(zhuǎn)器和聚焦鏡頭在性能上有明顯的提高.

在上述較為通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,人們又聚焦于解決一些具體技術(shù)問題,在光子器件的智能化設(shè)計過程中引入了很多新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光子器件設(shè)計領(lǐng)域逐漸成為了一種解決力強、適應(yīng)性好的強大設(shè)計工具.

在前文所引述的工作中,“逆向”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無疑具有非常強大的吸引力.它在一定程度上能夠根據(jù)輸入的目標光響應(yīng)迅速地反推出所需要的器件結(jié)構(gòu).但是“逆向”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有一定的缺陷.從原理上講,每一個器件結(jié)構(gòu)都會單獨對應(yīng)一種光響應(yīng),但是每一種光響應(yīng)卻未必會只對應(yīng)一種器件結(jié)構(gòu).這種“一多對應(yīng)”的關(guān)系就會在“逆向”設(shè)計過程中造成“隱式?jīng)_突 (implicit conflicting)”[117].2018 年,Liu 等[117]提出了一種“正、逆向串聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(tandem network) ”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來解決“隱式?jīng)_突”.他們構(gòu)建了如圖6(a)左圖所示的串聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即在“逆向”設(shè)計網(wǎng)絡(luò)之后再串聯(lián)一個預(yù)先訓(xùn)練好的“正向”預(yù)測網(wǎng)絡(luò).在訓(xùn)練整個串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時只調(diào)整“逆向”設(shè)計網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重分布.他們將這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)交錯的多層膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計中,來確定能夠?qū)崿F(xiàn)目標透射光譜的各層膜的厚度,如圖6(a)右圖所示.經(jīng)過檢驗,串聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確實能夠很好地克服隱式?jīng)_突,從而順利完成多層膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計.

圖6 用來解決一些具體技術(shù)問題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) (a) “正、逆向串聯(lián)”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖以及利用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的多層膜系結(jié)構(gòu) [117];(b) 基于GA 的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[118];(c) 利用少樣本數(shù)據(jù)增強迭代算法優(yōu)化得到的二維可編程手性超材料[119];(d) 一種基于全局深度學(xué)習(xí)的逆設(shè)計框架的訓(xùn)練和設(shè)計過程[120]Fig.6.Neural network architectures used to solve some specific technical problems: (a) Schematic of the “forward and backward series” neural network and the multilayer structure designed by this network[117];(b) GA-based DNN[118];(c) two-dimensional programmable chiral metamaterial optimized by data enhanced iterative few-sample algorithm[119];(d) training and design process of an inverse design framework based on global deep learning[120].

基礎(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的另一個缺點是需要大量的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集.為了解決這一問題,2021 年,Ren等[118]將DNN 和GA 結(jié)合,提出了一種顯著減小設(shè)計成本的設(shè)計方法––基于GA 的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(genetic-algorithm-based deep neural network),如圖6(b)所示.他們先利用GA 的初代樣本訓(xùn)練“正向”深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),再將該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反置作為“逆向”網(wǎng)絡(luò),利用選擇后的數(shù)據(jù)生成若干新的器件結(jié)構(gòu)作為子代.最后將這些后代添加到初始種群中,并更新深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的權(quán)重,以開始下一次迭代.該網(wǎng)絡(luò)可以顯著縮小設(shè)計類似器件所需要的計算量,利用該網(wǎng)絡(luò),他們設(shè)計了一系列的片上光互連器件.同樣為了解決所需數(shù)據(jù)量大的問題,2022 年,Zhao 等[119]提出了一種少樣本數(shù)據(jù)增強迭代(data enhanced iterative few-sample)算法,用來設(shè)計二維可編程手性超材料.超材料示意圖如圖6(c)所示.少樣本數(shù)據(jù)增強迭代算法可分為“數(shù)據(jù)增強”和“迭代”兩個主要階段.數(shù)據(jù)增強階段是利用“正向”預(yù)測網(wǎng)絡(luò)生成的“偽數(shù)據(jù)”來獲得數(shù)據(jù)增強后的數(shù)據(jù)集.迭代階段是利用光譜以及附加的小誤差參數(shù)來預(yù)測相應(yīng)超材料的幾何參數(shù).在迭代階段,他們同樣用到了前文所述的串聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).最后,通過將輸出譜與輸入譜進行比較來驗證算法的結(jié)果是否令人滿意.該設(shè)計方法在靈活性、可擴展性和時間消耗方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)逆設(shè)計方法和許多機器學(xué)習(xí)方法.

除了前文所述的工作之外,2021 年,Yeung 等[120]還開發(fā)了一種基于全局深度學(xué)習(xí)的逆設(shè)計框架來彌補訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用范圍較為狹窄的短板.他們首先將折射率、等離子體頻率、結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)編碼在彩色圖像上,之后利用這些圖像訓(xùn)練條件深度卷積生成對抗網(wǎng)絡(luò)(conditional deep convolutional generative adversarial network).訓(xùn)練得到的網(wǎng)絡(luò)可以用來設(shè)計跨越了多種材料、結(jié)構(gòu)、目標的超表面,一定程度上實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用性.該網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和設(shè)計過程如圖6(d)所示.

2.2 智能設(shè)計方法的優(yōu)勢

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,智能設(shè)計方法已憑借其特有的優(yōu)勢在光子器件設(shè)計領(lǐng)域穩(wěn)定立足.相比于一些傳統(tǒng)的光子器件設(shè)計方法,智能設(shè)計方法具有設(shè)計思路直接、器件緊湊度高、人力成本低等幾個顯著的優(yōu)勢.

首先,在方法的設(shè)計思路方面.大多數(shù)智能設(shè)計方法在設(shè)計器件時都是利用器件結(jié)構(gòu)與光響應(yīng)之間的直接聯(lián)系,因此無需對器件中復(fù)雜的物理過程進行解析.例如,基于GA 和PSO 算法的智能設(shè)計方法往往將器件的幾何參數(shù)或幾何參數(shù)組合(例如,長度、角度、間隔)作為待優(yōu)化對象(染色體或粒子),每個幾何參數(shù)或幾何參數(shù)組合對應(yīng)的光響應(yīng)作為評價指標.當它們進行優(yōu)化時,只需要將這些參量當作數(shù)字,再按照預(yù)定方式進行搜索,無需考慮幾何參數(shù)或幾何參數(shù)組合具體是如何對光響應(yīng)產(chǎn)生影響的,從而使研究者的設(shè)計更加方便和專注.類似地,基于DBS 算法的智能設(shè)計方法在優(yōu)化時也只利用每個正在搜索的像素的狀態(tài)與整個器件的光響應(yīng)之間的直接聯(lián)系,無需考慮器件中復(fù)雜的電磁場分布.而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法更是聚焦于建立器件結(jié)構(gòu)與器件光響應(yīng)之間的直接聯(lián)系(隱式函數(shù)),從而“繞開”大量的仿真或?qū)嶒灩ぷ鱽慝@取所需的數(shù)據(jù).之后再根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)找到最優(yōu)的器件結(jié)構(gòu).與此同時,智能設(shè)計方法對不同材料具有廣泛兼容性,這使得研究者無需在設(shè)計前專門對每種材料進行深入的理論研究.在設(shè)計光子器件時,每種材料的光學(xué)特性例如折射率和消光系數(shù)都是不相同的.每種材料獨有的光學(xué)特性會導(dǎo)致光響應(yīng)的特異性.傳統(tǒng)的設(shè)計方法不可避免地要考慮每種材料的光學(xué)特性,并針對該種材料進行單獨設(shè)計.相反,智能設(shè)計方法避免了過多關(guān)注材料的光學(xué)特性這一弊端.它們只需要收集該種材料的結(jié)構(gòu)與光響應(yīng)之間的對應(yīng)數(shù)據(jù)并進行尋優(yōu),無需專門為某種材料制訂單獨的優(yōu)化方法.

其次,在器件的緊湊度方面.相比于絕大多數(shù)的傳統(tǒng)設(shè)計方法,大多數(shù)智能設(shè)計方法的搜索自由度更大.從很多經(jīng)典智能算法的尋優(yōu)原理中可以看出,它們往往能夠在相當緊湊的范圍內(nèi)進行充分的搜索.這就使得利用智能設(shè)計方法在很小的空間范圍內(nèi)獲得滿足設(shè)計目標的器件結(jié)構(gòu)的可能性更大,從而使得智能設(shè)計方法在所設(shè)計器件的緊湊度方面具有獨特的優(yōu)勢.

最后,在優(yōu)化的人力成本方面.很多智能設(shè)計方法都是由計算機代替人類進行試錯并收集信息,再利用已完成的優(yōu)化所產(chǎn)生的信息指導(dǎo)后續(xù)的優(yōu)化.通過將繁重的信息收集與規(guī)律學(xué)習(xí)過程交給計算機完成,研究者得到了很大程度的解放,能夠更加專注于器件功能、適應(yīng)性、應(yīng)用場景等方向的創(chuàng)新.

另外,大多數(shù)經(jīng)典智能算法往往能夠同時對很多個幾何參數(shù)進行搜索,而這是手動調(diào)參或參數(shù)掃描難以實現(xiàn).這就使得很多智能設(shè)計方法相比于傳統(tǒng)設(shè)計方法在優(yōu)化速度方面具備了優(yōu)勢.

2.3 智能設(shè)計方法的有待提升之處

雖然與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比,智能設(shè)計方法在人力成本和器件尺寸方面都大幅減小,但是智能設(shè)計方法也存在一些有待提升之處.

首先是智能化設(shè)計的器件,在加工時往往會遇到一些挑戰(zhàn).智能化設(shè)計的器件往往非常緊湊,這就對器件的加工精度提出了很高的要求.例如,DBS 算法設(shè)計的片上光互連器件往往需要在SOI的頂硅平面上刻蝕若干極微小的區(qū)域.刻蝕中心的偏移、刻蝕尺寸的變化以及兩刻蝕區(qū)域之間硅材料的完整性都會對最終的器件光響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響.而且,由于反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching)滯后效應(yīng)等效應(yīng)的影響,現(xiàn)有的制造水平很難將設(shè)計出的器件結(jié)構(gòu)的細節(jié)完全加工,而是會存在一定的誤差.器件的尺寸越小,這些誤差的影響就越大.因此,智能化設(shè)計的器件走向更高水平的應(yīng)用還需要芯片加工工藝的進一步提升.

其次是智能化設(shè)計的器件,其中的物理過程相對難以定量描述.由于智能化設(shè)計的器件在一個非常緊湊的空間尺度內(nèi)完成對電磁場的操控,因此其中的電磁場變化過程以及相互作用情況非常復(fù)雜.這個復(fù)雜的物理過程有時難以用數(shù)學(xué)方法進行定量描述,需要通過仿真來展示.

傳統(tǒng)設(shè)計方法是智能化設(shè)計的基礎(chǔ),研究者只有在充分理解傳統(tǒng)設(shè)計方法的思想、原理、過程的基礎(chǔ)上,才能為智能化設(shè)計提供合適的初始參數(shù)等條件,才能大幅避免智能化設(shè)計過程中的冗余成本.

3 智能化設(shè)計的超緊湊片上光互連器件

本節(jié)介紹智能化設(shè)計的光互連器件相對于傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的一個重要、顯著的優(yōu)勢––器件尺寸大幅度減小,器件緊湊度大幅度提升.時至今日,不論是電子芯片領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗還是層出不窮的大規(guī)模集成光電子芯片,都顯示出了單器件尺寸減小所帶來的巨大效益[121-123].片上光互連器件所占區(qū)域的減小可以使寶貴的芯片面積得到更加充分的利用.

傳統(tǒng)方法設(shè)計片上光互連器件時,由于一些物理過程需要較大的作用尺度以及傳統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)空間較小等原因,有時設(shè)計出的器件不得不占用較大的面積.而以上問題和弊端都可以利用智能設(shè)計方法加以克服.智能設(shè)計方法可以利用其廣闊的參數(shù)空間和充足的搜索自由度在一個很小的區(qū)域內(nèi)搜索出能夠?qū)崿F(xiàn)目標光響應(yīng)的器件結(jié)構(gòu).更進一步地,從優(yōu)化目標的角度來說,智能設(shè)計方法往往無需深究在超緊湊的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜物理過程,也無需過多關(guān)注所設(shè)計器件的具體形狀,只需要關(guān)注目標光響應(yīng)是否得到優(yōu)化.

本節(jié)從兩個方面介紹了智能化設(shè)計的超緊湊片上光互連器件的優(yōu)勢和成果.第1 個方面是研究者無需指定特定的初始結(jié)構(gòu),可以利用智能設(shè)計方法直接設(shè)計出超緊湊的片上光互連器件;第2 個方面是研究者可以基于傳統(tǒng)的設(shè)計理論,先給定一個傳統(tǒng)方法設(shè)計的器件基礎(chǔ),再利用智能設(shè)計方法在超緊湊空間內(nèi)優(yōu)化得到滿足光響應(yīng)要求的片上光互連器件.

3.1 通過智能設(shè)計方法直接設(shè)計超緊湊片上光互連器件

本節(jié)通過介紹3 種在光互連領(lǐng)域有重要應(yīng)用的器件––(多模)功率分束器、模式(分解)復(fù)用器和(多模)彎曲波導(dǎo)的智能化設(shè)計過程,來說明利用智能設(shè)計方法直接設(shè)計超緊湊光互連器件的優(yōu)勢: 無需給定初始結(jié)構(gòu)或僅給定簡單形狀作為初始結(jié)構(gòu),利用智能化設(shè)計強大的搜索能力直接搜尋滿足光響應(yīng)要求的器件結(jié)構(gòu).在這些器件的設(shè)計過程中,研究者的雙手得到了很大程度的解放.這些智能化設(shè)計的器件,與傳統(tǒng)方法設(shè)計的相同(似)功能的器件相比,尺寸上往往會有數(shù)量級程度的縮小.它們之間的對比清晰地顯示了智能設(shè)計方法在提升器件緊湊度方面的巨大作用.

功率分束器是一種重要的光子器件,可用于包含光互連在內(nèi)的諸多應(yīng)用場景.特別是多模功率分束器,常常用于多模光互連系統(tǒng),如模分復(fù)用(modedivision multiplexing,MDM)系統(tǒng).它能夠?qū)σ皇馐M行分裂,讓產(chǎn)生的新光束向不同方向傳播,從而實現(xiàn)信息的一對多傳遞.2013 年,Zhang 等[124]利用PSO 算法設(shè)計了一種波長不敏感的單模功率分束器,該器件的結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示.該器件的外輪廓由13 條線段的長度決定,PSO 算法用來尋找這13 條線段長度的最優(yōu)組合.該器件的尺寸小于1.2 μm×2 μm,相比于2022 年Kumari 和Prince[125]利用光束傳播法(beam propagation method)設(shè)計的基于S 形曲線脊波導(dǎo)的波長不敏感單模功率分束器,其尺寸有了數(shù)量級程度的減小.利用光束傳播法設(shè)計的功率分束器的結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示,它最小的分束區(qū)域(區(qū)域3)中S 形曲線脊波導(dǎo)的曲率半徑為325 μm,器件的實際長度大于25 μm.

圖7 幾種由不同方法設(shè)計的功率分束器及對比 (a)利用PSO 算法設(shè)計的波長不敏感的單模功率分束器[124];(b) 利用傳統(tǒng)方法設(shè)計的基于S 形曲線脊波導(dǎo)的波長不敏感單模功率分束器[125];(c) 傳統(tǒng)方法設(shè)計雙模功率分束器的原理示意圖(左)和基于對稱優(yōu)化的DBS 算法設(shè)計的雙模功率分束器(右) [126];(d) 利用多種算法分階段優(yōu)化設(shè)計的超寬波段適用的雙模功率分束器[127];(e) 基于傳統(tǒng)方法設(shè)計的任意分束比的功率分束器架構(gòu)示意圖[128];(f) 基于QPSO 算法設(shè)計的幾種不同分束比的功率分束器[129]Fig.7.Several power splitters designed by different methods and their comparison: (a) Wavelength insensitive single-mode power splitter designed by PSO algorithm[124];(b) wavelength insensitive single-mode power splitter based on S-shaped curved ridge waveguide designed by conventional methods[125];(c) schematic of dual-mode power splitter designed by conventional method (left) and dual-mode power splitter designed by symmetric-optimize-DBS algorithm (right)[126];(d) dual-mode power splitter suitable for ultrawide band optimized by multiple algorithms[127];(e) schematic of the power splitter with arbitrary split ratio designed by conventional methods[128];(f) power splitters with different split ratios designed by QPSO algorithm[129].

隨著人們對通信帶寬的要求越來越高,光的模式作為一個單獨的維度受到越來越多的重視.利用光的不同模式之間互不干擾的特性,人們可以在一條通路里實現(xiàn)多種模式同時傳播,從而成倍地增大通信帶寬.因此,適用于如MDM 系統(tǒng)的多模光互連系統(tǒng)中的多模功率分束器應(yīng)運而生.2018 年,Chang 等[126]分析了傳統(tǒng)方法設(shè)計雙模功率分束器時在緊湊度方面所受到的限制,并提出了一種基于對稱優(yōu)化的DBS 算法設(shè)計的雙模功率分束器,如圖7(c)所示.他們提出,如果按照耦合的方法設(shè)計雙模功率分束器,則該分束器的重要組件––雙模轉(zhuǎn)換器(dual-mode convertor) 需要100 μm 以上的耦合長度,整個器件的總長度可能大于200 μm[126].而他們提出的相同功能的雙模功率分束器的尺寸僅為2.88 μm×2.88 μm,器件緊湊度得到了大幅度的提升.除了他們的工作之外,2022 年,Xu 等[127]也通過利用多種算法分階段優(yōu)化的方式得到了相同功能的、超寬波段適用的雙模功率分束器.該雙模功率分束器的結(jié)構(gòu)如圖7(d)所示.他們提出了一種模擬數(shù)字拓撲優(yōu)化(analog and digital topology optimization)的方法,首先設(shè)計出模擬的拓撲結(jié)構(gòu),然后再利用DBS 算法對模擬的拓撲結(jié)構(gòu)進行二次優(yōu)化,設(shè)計出適合加工的數(shù)字優(yōu)化的結(jié)構(gòu).他們優(yōu)化得到的器件的尺寸為5.4 μm×2.88 μm,也能達到超緊湊的程度.

在光互連的實際應(yīng)用場景中,光束并不總是要求平均分束,人們需要一套能夠根據(jù)不同的需求場景靈活設(shè)計功率分束比的設(shè)計框架.2021 年,Zhu等[128]提出了利用傳統(tǒng)方法設(shè)計錐形波導(dǎo)從而構(gòu)建基于不同材料的任意分束比的功率分束器,該分束器可用于波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)光子回路.他們通過70 nm 淺刻蝕的方式構(gòu)建了基于硅材料的脊波導(dǎo)和基于氮化硅材料的錐形脊波導(dǎo),再通過調(diào)整錐形脊波導(dǎo)之間的間隙寬度來實現(xiàn)不同分束比的光功率輸出.該設(shè)計架構(gòu)如圖7(e)所示,設(shè)計出的幾種分束比的功率分束器所需的作用距離在45–80 μm 之間.而在2019 年,Sheng 等[129]基于改進的PSO 算法––量子PSO(quantum particle swarm algorithm,QPSO) 算法提出了一種可以設(shè)計任意功率分束比的功率分束器的智能化設(shè)計框架.在QPSO 算法中,粒子被認為具有量子行為,粒子的狀態(tài)由波函數(shù)決定.與傳統(tǒng)的PSO 算法相比,QPSO 算法中粒子的多樣性將大大提高,因此該算法可以更好地處理設(shè)計目標復(fù)雜的問題[129].他們利用QPSO 算法優(yōu)化18 個頂點所處的坐標,設(shè)計了一系列的不同分束比的功率分束器.這些器件的尺寸僅為1.5 μm×1.3 μm,接近亞微米的尺度.比起前文所述的基于錐形波導(dǎo)的功率分束器,緊湊度提升了至少一個量級.其中幾個器件的示意圖如圖7(f)所示.

以上介紹的幾種由不同方法設(shè)計的功率分束器,相同功能的智能化設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果在尺寸方面的對比如表1 所列.

表1 相同功能的智能化設(shè)計和傳統(tǒng)方法設(shè)計的功率分束器的尺寸對比Table 1. Size comparison of power beam splitters designed by intelligent and conventional design methods with the same function.

模式(分解)復(fù)用器是片上模分復(fù)用光互連系統(tǒng)的關(guān)鍵組件.通過模式復(fù)用器的調(diào)控,各個輸入光路中的光會分別以不同的模式在總線中并行傳輸而互不干擾,之后再通過模式分解復(fù)用器進入對應(yīng)的輸出光路,從而成倍地提升光互連系統(tǒng)的通信帶寬.在極緊湊的尺寸內(nèi)高效地實現(xiàn)模式(分解)復(fù)用一直是研究者們追求的目標,過去一段時間,基于定向耦合等傳統(tǒng)設(shè)計方法,人們設(shè)計出了一些多通道的模式(分解)復(fù)用器.然而,這些器件的尺寸往往較大,難以達到極緊湊的目標.近些年,在智能設(shè)計方法的幫助下,越來越多的超緊湊模式(分解)復(fù)用器問世,為片上光子器件大規(guī)模集成帶來了重大利好.

2018 年,Chang 等[130]提出了一種基于DBS算法設(shè)計的二階模式復(fù)用器.該器件可以將片上光互連系統(tǒng)的通信帶寬增大一倍,它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8(a)所示.該器件的尺寸為2.4 μm×3 μm,與2013 年Ding 等[131]設(shè)計的基于錐形定向耦合器的二階模式復(fù)用器相比(如圖8(b)所示),長度從幾十微米到了幾微米,尺寸有了大幅度的減小.2020年和2022 年,Xie 等[132]和Zhou 等[133]分別提出了兩種結(jié)構(gòu)的四階模式(分解)復(fù)用器.這兩種器件均是由DBS 算法設(shè)計的,它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8(c)和圖8(d)所示.這兩種四階模式(分解)復(fù)用器的尺寸相仿,分別是5.4 μm×6 μm 和4.8 μm×4.8 μm.相比于2014 年Wang 等[134]提出的傳統(tǒng)方法設(shè)計的八階模式/偏振(分解)復(fù)用器(兩種偏振狀態(tài),每種偏振狀態(tài)四階模式),尺寸縮減了兩個量級左右.Wang 等[134]提出的八階模式/偏振(分解)復(fù)用器的光學(xué)顯微鏡成像圖如圖8(e)所示,其長度達到了百微米的量級.

圖8 幾種由不同方法設(shè)計的模式(分解)復(fù)用器及對比 (a) 基于DBS 算法設(shè)計的二階模式復(fù)用器[130];(b)基于錐形定向耦合器的二階模式復(fù)用器[131];(c),(d) 兩種由DBS 算法設(shè)計的四階模式(分解)復(fù)用器[132,133];(e)八階模式/偏振(分解)復(fù)用器的光學(xué)顯微鏡成像圖[134]Fig.8.Several mode (de)multiplexers designed by different methods and their comparison: (a) Two-mode multiplexer based on the DBS algorithm[130];(b) two-mode multiplexer based on conical directional coupler[131];(c),(d) two kinds of four-mode (de)multiplexers designed by the DBS algorithm[132,133];(e) optical microscope image of the eight-mode/polarization (de)multiplexers[134].

以上介紹的幾種由不同方法設(shè)計的模式(分解)復(fù)用器,相同或相似功能的智能化設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果在尺寸方面的對比如表2 所列.

表2 相同(似)功能的智能化設(shè)計和傳統(tǒng)方法設(shè)計的模式(分解)復(fù)用器的尺寸對比Table 2. Size comparison of mode (de)multiplexers designed by intelligent and traditional design methods with the same (like) function.

除了一些用于片上光互連系統(tǒng)的功能器件外,器件之間的連接波導(dǎo)的緊湊度也是一個不可忽視的問題.以彎曲波導(dǎo)為代表的器件間連接波導(dǎo)也可應(yīng)用智能設(shè)計方法來大幅縮減其占地面積.彎曲波導(dǎo)是幾乎所有的大規(guī)模光子器件集成系統(tǒng)中不可或缺的連接組件,用來引導(dǎo)光束改變傳播方向,從而幫助光子器件集成系統(tǒng)合理布局.如果不對彎曲波導(dǎo)做專門設(shè)計,則實現(xiàn)光路90°轉(zhuǎn)彎的彎曲波導(dǎo)需要很大的轉(zhuǎn)彎半徑才能保證不出現(xiàn)大的損耗.這對于片上光互連系統(tǒng)等光子器件集成系統(tǒng)的集成化來說非常不利.除此之外,隨著光的模式逐漸被應(yīng)用到光互連系統(tǒng)中來拓展帶寬,支持多模式低損耗的多模彎曲波導(dǎo)也成為了光互連系統(tǒng)的必須組件[135].

2022 年,Zhou 等[133]在提出超緊湊四階模式(分解)復(fù)用器的同時也提出了一種單模式的90°彎曲波導(dǎo),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(a)所示.該90°彎曲波導(dǎo)同樣是基于DBS 算法設(shè)計,非對稱結(jié)構(gòu),尺寸為2.4 μm×2.4 μm,將原本需要很大轉(zhuǎn)彎半徑和很大占地面積的普通彎曲波導(dǎo)進行了充分的壓縮.

至于能夠支持多模式低損耗的多模彎曲波導(dǎo),也已有很多基于傳統(tǒng)方法和智能設(shè)計方法的成果出現(xiàn).2013 年,Jiang 等[136]提出了一種基于修正歐拉曲線的多模90°彎曲波導(dǎo),其設(shè)計示意圖如圖9(b)所示.該彎曲波導(dǎo)由兩個45°彎曲波導(dǎo)組成,波導(dǎo)核心寬度為2.36 μm,能夠支持4 種橫磁(transverse magnetic,TM)模式.其有效半徑可以小至45 μm,約為常規(guī)90°彎曲波導(dǎo)有效半徑(大約175 μm)的1/4.這是用傳統(tǒng)方法設(shè)計的較為緊湊的多模彎曲波導(dǎo)的一個代表.2018 年,Chang 等[137]基于一對非對稱“Y”形結(jié),利用DBS 算法設(shè)計了一種能夠支持兩種模式的雙模90°彎曲波導(dǎo),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(c)所示.該器件能夠在3.6 μm×3.6 μm 尺寸范圍內(nèi)實現(xiàn)雙模90°轉(zhuǎn)彎,并保持了很低的模間串擾.為了實現(xiàn)3 種橫電(transverse electric,TE)模式的90°轉(zhuǎn)彎,2012 年,Gabrielli 等[138]提出了一種基于變換光學(xué)(transformation optics,TO)的三模90°彎曲波導(dǎo).該波導(dǎo)需要使用灰度刻蝕技術(shù),其結(jié)構(gòu)在圖9(d)中詳細展示.基于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu),它們在78.8 μm 的轉(zhuǎn)彎半徑下,采用4 μm寬的波導(dǎo)實現(xiàn)了3 種TE 模式的90°轉(zhuǎn)彎.在該工作基礎(chǔ)上,2019 年,Liu 等[139]設(shè)計了同樣功能的三模90°彎曲波導(dǎo),如圖9(e)所示.他們利用DBS算法在一段圓弧形波導(dǎo)基底上設(shè)計了這種三模90°彎曲波導(dǎo),該圓弧的轉(zhuǎn)彎半徑僅為2.75 μm,波導(dǎo)寬度為2.3 μm,與Gabrielli 等[138]的工作相比,器件尺寸同樣有了量級程度的減小.這又一次證明了智能設(shè)計方法在提升器件緊湊度方面的巨大作用.TE0–TE2三個模式在該三模90°彎曲波導(dǎo)中的模擬光場分布示意圖如所圖9(f)示.

以上介紹的幾種由不同方法設(shè)計的彎曲波導(dǎo),相同或相似功能的智能化設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果在尺寸方面的對比如表3 所列.

3.2 利用智能設(shè)計方法優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果得到的片上光互連器件

除了利用智能設(shè)計方法直接設(shè)計超緊湊片上光互連器件之外,很多研究者還將目光放在了利用智能設(shè)計方法對傳統(tǒng)設(shè)計的片上光互連器件的優(yōu)化上.他們將正向設(shè)計初步確定的器件結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu),利用智能設(shè)計方法的優(yōu)化能力在超緊湊的尺度內(nèi)對已有結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)進行優(yōu)化提升或者大幅減小原器件的占地面積.

如前文所述,2020 年Chen 等[74]利用PSO 算法優(yōu)化反錐形耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計出的片上偏振分束器就是一個典型的代表.該器件的結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示,其設(shè)計過程如下: 首先,按照傳統(tǒng)方法的耦合模理論設(shè)計出大致的倒錐形波導(dǎo)耦合區(qū)域;之后,利用PSO 算法優(yōu)化耦合區(qū)域中波導(dǎo)的形狀,使得輸入端口的TM0模式能夠在很短的距離內(nèi)耦合至“交叉”出口.相比于完全基于傳統(tǒng)耦合模理論設(shè)計的同功能偏振分束器,例如2017 年Wu 等[140]設(shè)計的如圖10(b)所示的結(jié)果,其能夠?qū)⑦_到預(yù)期目標所需的耦合長度大幅度減小.Chen 等[74]設(shè)計的片上偏振分束器的耦合長度為5 μm,而Wu等[140]設(shè)計片上偏振分束器需要在大于20 μm 的長度內(nèi)實現(xiàn)TE0模式和TM0模式的分束.

圖10 幾種利用智能設(shè)計方法優(yōu)化傳統(tǒng)光互連器件得到的結(jié)果及其對比器件 (a) 利用PSO 算法優(yōu)化反錐形耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計出的片上偏振分束器[74];(b) 完全基于傳統(tǒng)耦合模理論設(shè)計的偏振分束器[140];(c) 利用AM 優(yōu)化耦合區(qū)域間隙設(shè)計的幾種用于不同波長條件下的偏振分束器,以及其中的橫向和縱向的模擬電磁場密度分布[141];(d) 利用帶有制造約束的水平集方法設(shè)計的功率分束器,以及其中的模擬電磁場密度分布[142]Fig.10.Several results obtained by using intelligent design methods to optimize conventional optical interconnect devices,and their comparison devices: (a) On-chip polarization beam splitter designed by using the PSO algorithm to optimize the anti-conical coupler[74];(b) polarization beam splitters designed by conventional methods[140];(c) several polarization beam splitters designed for different wavelength conditions using the AM to optimize the coupling region gap,and their simulated electromagnetic field density distributions[141];(d) power splitter designed using a level set method with manufacturing constraints,and the simulated electromagnetic field density distribution in it[142].

類似地,2018 年,Huang 等[141]提出的偏振分束器也是基于“智能設(shè)計方法優(yōu)化傳統(tǒng)光互連器件”這一原理.按照他們所解釋的原理,傳統(tǒng)的并列靠近的直波導(dǎo)若要發(fā)生耦合需要一段較長的耦合距離,為了減小這段耦合距離,他們選擇在一段很短的耦合區(qū)域內(nèi)加入硅材料進行輔助,利用AM 設(shè)計硅材料的特定位置分布,從而使目標光束在這段很短的區(qū)域內(nèi)就達到目標耦合效率.他們設(shè)計了幾種應(yīng)用于不同波長條件下的偏振分束器,這些器件的結(jié)構(gòu)如圖10(c)所示.在這些器件中橫向和縱向的模擬電磁場密度分布也如圖10(c)所示.

除了偏振分束器之外,2017 年,Piggott 等[142]利用帶有制造約束的水平集方法設(shè)計的“50-50 定向耦合器”也是一個“智能優(yōu)化傳統(tǒng)光互連器件”的實例.他們同樣也是在一段耦合區(qū)域中改變耦合波導(dǎo)的形狀來輔助提升耦合效率,從而大幅減小了光束耦合至目標比例所需要的長度.該器件的結(jié)構(gòu)示意圖以及其中的模擬電磁場密度分布如圖10(d)所示.

4 智能化設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件

片上光互連器件的超緊湊化對光互連的發(fā)展起到了極為重要的推動作用.與此同時,光互連的進一步發(fā)展還體現(xiàn)在對功能選項的需求的增加上.例如,如果能夠?qū)崿F(xiàn)互連光路的自主開關(guān)、不同情境下對復(fù)用因素的選擇性提取、實時控制光路中的光場強度等,那么光互連的應(yīng)用范圍與應(yīng)用場景都會得到極大地拓展.

過去一段時間,人們嘗試了利用硅波導(dǎo)的電光、熱光效應(yīng)實現(xiàn)對光子器件的調(diào)控[143,144].基于電光、熱光效應(yīng)設(shè)計的可調(diào)控器件擁有成熟的技術(shù),但有以下不足: 硅材料折射率的改變范圍小,導(dǎo)致器件尺寸大,與片上光互連器件緊湊化、集成化的趨勢相違背;需要持續(xù)的外界能量輸入來維持調(diào)控,能耗較大.因此,將可以在極緊湊空間內(nèi)大幅度改變折射率的相變材料集成到光互連器件上就成為了可調(diào)控片上光互連器件的一大重要發(fā)展趨勢[145].

另一方面,利用傳統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計可調(diào)控片上光互連器件時難以避免大量的理論計算或者參數(shù)掃描,這使得研究者在設(shè)計過程中要付出大量的人力成本.由于智能設(shè)計方法對不同材料具有廣泛的兼容性,因此智能設(shè)計方法正在成為一種方便快捷的設(shè)計可調(diào)控片上光互連器件的手段.

4.1 用于可調(diào)控光子器件設(shè)計的相變材料

具有非易失性、可調(diào)控功能的光互連器件是下一代光子集成回路(photonics integrated circuit,PIC)的重要組成部分.目前,可調(diào)控光子器件已有多種實現(xiàn)方法.例如,利用內(nèi)嵌的加熱器改變硅波導(dǎo)的溫度從而微調(diào)器件的折射率[143];利用基于諧振器的開關(guān)幫助提高調(diào)制強度[146];利用等離激元實現(xiàn)器件可調(diào)控[147]等.但是,這些方法都存在一些較難克服的弊端.例如,內(nèi)嵌加熱器的尺寸一般比較大并且功耗較高;基于諧振器的開關(guān)對溫度的波動比較敏感;等離激元雖然具有超快和高能效的特點,但是其可拓展性受到高插入損耗和傳播損耗的限制.

相變材料(phase change materials)的出現(xiàn)和興起為下一代片上光互連器件提供了新的解決方案.相變材料是一種具有多種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的材料[148,149].這些穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電子態(tài)(例如多種相變材料的“晶態(tài)”和“非晶態(tài)”)之間可以互相轉(zhuǎn)化,稱為相變.一個典型的相變過程的示意圖如圖11(a)所示.相變可以通過外部加熱[150]、調(diào)節(jié)作用在相變材料上的光脈沖[151]或電流強度[152]的方式來實現(xiàn).很多種相變材料的晶態(tài)(crystalline)和非晶態(tài)(amorphous)之間存在明顯的折射率差(△n),通過將這些相變材料集成到光子器件中可以對光進行大范圍的相位和振幅調(diào)制[153].

圖11 相變材料的典型相變過程和相變材料在可調(diào)控光器件領(lǐng)域的應(yīng)用 (a) 一個典型的相變過程的示意圖;(b)基于相變材料設(shè)計的全光神經(jīng)突觸網(wǎng)絡(luò);(c) 基于相變材料設(shè)計的相變存儲器單元;(d) 基于相變材料設(shè)計的可調(diào)控超表面Fig.11.Typical phase change process of phase change materials and their application in the field of controllable optical devices:(a) Diagram of a typical phase change process;(b) all-optical synaptic networks based on phase change materials;(c) phase-change memory cell based on phasechange material;(d) controllable metasurface based on phase change material.

除了能夠提供明顯的折射率變化之外,很多相變材料還具有可多次重構(gòu)、相變速度快、相態(tài)非易失的特性.一些相變材料能夠進行1012次的反復(fù)相變,有些相變材料的相變切換速度可達到納秒量級,很多相變材料的晶態(tài)或者非晶態(tài)在不消耗額外能量的情況下可以穩(wěn)定存在多年[154-156].這些特性使得近幾十年來很多相變材料在可調(diào)控光器件領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用.下面選取幾種片上光互連之外的相變材料的應(yīng)用場景加以展示,如圖11(b)–(d)所示.

鍺銻碲(Ge2Sb2Te5,GST)是目前應(yīng)用最廣泛的相變材料之一,其晶態(tài)和非晶態(tài)之間有著巨大的折射率差.當入射波長為1550 nm 時,兩種狀態(tài)的折射率差值為3.56,并且兩種狀態(tài)在較低的溫度下都可以穩(wěn)定存在.GST 在光開關(guān)、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及光學(xué)存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力[157-162].但是由于GST 的復(fù)折射率的虛部值較大,導(dǎo)致了較大的吸收損耗,在應(yīng)用時需要考慮這一問題.鍺銻硒碲(Ge2Sb2Se4Te,GSST)被認為是GST 的低損耗替代品[163].密度泛函理論模型表明,通過適當?shù)奶鎿Q,可以設(shè)計出具有特定帶隙和折射率的材料[163].在GSST 中,部分碲元素被硒元素所取代,導(dǎo)致帶隙增加,從而減少近紅外波段的光的損耗.在降低損耗方面,銻基硫族化合物硫化銻(Sb2S3)和硒化銻(Sb2Se3)也是一類非常有前景的材料[164,165].這兩種材料在C 波段范圍內(nèi)的本征吸收損耗幾乎為0(復(fù)折射率的虛部實數(shù)值k<10-5)[165].此外,它們的非晶態(tài)的折射率實部比GST 更接近硅的折射率實部,與硅波導(dǎo)具有良好的模式匹配[165].與GST相比,硫化銻和硒化銻的低損耗優(yōu)勢在大規(guī)模光子集成電路和可編程門陣列等領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景.除了上述幾種硫系相變材料之外,二氧化釩(VO2)因為其較低的轉(zhuǎn)變溫度和極快的電開關(guān)速度在敏感器件以及光信息存儲等領(lǐng)域也備受關(guān)注[166].此外,硒化銦(In2Se3)兩個轉(zhuǎn)換態(tài)中間附近的折射率與硅的折射率相近,根據(jù)此特性設(shè)計出的超透鏡可以實現(xiàn)聚焦長度在正負值之間進行切換[167].

4.2 智能化設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件

隨著片上光互連器件及其所在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和功能復(fù)雜度的增加,人們對設(shè)計功能可調(diào)控的片上光互連器件的需求日漸強烈.一方面,可調(diào)控片上光互連器件能夠在單個器件區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多種功能,從而減小了潛在的器件需求數(shù)量;另一方面,可調(diào)控片上光互連器件可以大大增加片上集成系統(tǒng)的功能選項.

近些年來,已經(jīng)出現(xiàn)了很多利用傳統(tǒng)方法設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件.它們的功能涵蓋光開關(guān)、交叉波導(dǎo)等諸多光互連應(yīng)用領(lǐng)域,大大增加了所在系統(tǒng)的功能自由度,為所在系統(tǒng)的應(yīng)用前景提供了豐富的想象空間.例如,2019 年,Xu 等[150]提出了幾種低損耗、寬帶寬的可調(diào)控方向性耦合開關(guān),并對它們進行了加工和測試.它們的光學(xué)顯微鏡圖和細節(jié)部分的SEM 圖如圖12(a)所示.他們利用非對稱定向耦合器的基本設(shè)計,在器件基本結(jié)構(gòu)上引入GST 材料,實現(xiàn)了“1×2”和“2×2”的兩種可調(diào)控光開關(guān).操作者可以通過改變GST 材料的相態(tài)來選擇從入射端口入射的光從哪個端口出射.器件的耦合區(qū)域長度約為30 μm,屬于緊湊的程度.器件的插入損耗為1 dB 左右,并且能夠在30 nm 寬的波段內(nèi)保持10 dB 的串擾.這些可調(diào)控光開關(guān)除了可用于光互連之外,還可用于神經(jīng)形態(tài)計算、量子計算和微波光子學(xué)等方面.又如,2022 年,Li 等[157]利用小的GST 納米盤的局部共振構(gòu)建了一個芯片上的可調(diào)控光開關(guān).他們通過在硅波導(dǎo)上設(shè)置多個級聯(lián)的GST 納米盤來有效地散射和吸收入射光,從而獲得了高的消光比(extinction ratio,ER),如圖12(b)所示.3 個GST 納米片的總體積僅為0.229 μm2× 35 nm,所占空間極小.該開關(guān)在實驗驗證中可以實現(xiàn)高達27 dB 的高消光比,具有對比度高、占地面積小、能耗低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點.

圖12 基于傳統(tǒng)方法設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件 (a) 幾種可調(diào)控方向性耦合開關(guān)的光學(xué)顯微鏡圖和細節(jié)部分的SEM 圖[150];(b) 一種高消光比的可調(diào)控光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖和調(diào)控效果光場圖[157]Fig.12.Controllable on-chip optical interconnection devices designed by traditional methods: (a) Optical microscope images of several controllable directional coupling switches and the SEM images of their details[150];(b) structural and performance of the optical switch with a high ER[157].

雖然上述基于傳統(tǒng)方法設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件能夠?qū)崿F(xiàn)非常豐富的功能,且能夠達到很高的性能,但是它們依然避免不了高的人力成本.近些年來,由于智能設(shè)計方法對不同材料具有廣泛的兼容性,可以像設(shè)計硅器件一樣設(shè)計基于相變材料的器件,因此,利用智能設(shè)計方法直接設(shè)計相變材料正在成為一種方便、快捷、應(yīng)用廣泛的可調(diào)控片上光互連器件的設(shè)計手段.利用智能設(shè)計方法設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件的功能,除了能夠涵蓋前文所述的可調(diào)控光開關(guān)、交叉波導(dǎo)等方面外,還包含了可調(diào)控模式轉(zhuǎn)換器、可調(diào)控功率分束器等新鮮的概念.而在具體設(shè)計方法的選擇方面,基于DBS 算法的智能設(shè)計方法憑借其獨特的優(yōu)勢受到了廣大研究者們的歡迎.

2020 年,Chen 等[168]利用DBS 算法優(yōu)化調(diào)整GSST 在硅波導(dǎo)中的分布,從而設(shè)計了一種寬帶的可調(diào)控模式轉(zhuǎn)換器,其結(jié)構(gòu)圖以及工作原理如圖13(a)所示.當TE0模式進入這個模式轉(zhuǎn)換器時,通過調(diào)整GSST 的相態(tài),該模式轉(zhuǎn)換器可以選擇性地輸出TE0模式或TE1模式.器件的尺寸為22 μm×3.5 μm,屬于緊湊的程度.2021 年,國防科技大學(xué)楊俊波課題組[169]基于DBS 算法設(shè)計了一系列的單模和多模納米光子波導(dǎo)開關(guān).其中,三?？烧{(diào)控光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖13(b)所示.他們通過在硅波導(dǎo)上“打孔刻蝕”并填充相變材料GST,來改變所設(shè)計區(qū)域的有效折射率.DBS 算法可以幫助確定GST 在硅波導(dǎo)中的分布.當目標模式的光進入所設(shè)計的器件后,操作者可以通過改變GST的相態(tài)來實現(xiàn)該光波的通過或阻斷.同樣是在2021 年,Delaney 等[170]提出了一種基于像素化相變材料的功率分束比可調(diào)的功率分束器.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖13(c)所示.他們通過在MMI 的上表面之上覆蓋薄層(23 nm)硒化銻材料并選擇性改變部分材料的相態(tài)從而實現(xiàn)MMI 兩輸出端口輸出功率之比可調(diào)控的功能.硒化銻材料的相態(tài)分布由DBS 算法確定.該器件的尺寸為22 μm×3.5 μm,相比于最先進的干涉儀有了量級程度的減小.面向相似的功能目標,2022 年,國防科技大學(xué)楊俊波課題組[171]同樣利用DBS 算法設(shè)計了一種任意功率分束比的功率分束器.該器件的主體由兩部分組成,第1 部分為僅刻蝕的方形硅區(qū)域,刻蝕圓孔的分布由DBS 算法確定.第2 部分為全部填充了GSST 的四列刻蝕圓孔,如圖13(d)所示.通過單獨改變第二部分每個圓孔中GSST 的相態(tài),可以對兩個輸出通道的透過率之比進行任意地配置.相比于前一年Delaney 等[170]的工作,該文章中提出的器件尺寸更小、調(diào)控精度更高.這個分束器擁有的極小尺寸和數(shù)字可編程性的優(yōu)點,不僅能夠應(yīng)用在光互連系統(tǒng)中,還可以有助于光電混合芯片的實現(xiàn).

圖13 利用智能設(shè)計方法設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件 (a) 基于DBS 算法設(shè)計的一種可調(diào)控模式轉(zhuǎn)換器[168];(b) 基于DBS 算法設(shè)計的可調(diào)控三模式納米光子波導(dǎo)開關(guān)[169];(c) 基于像素化相變材料設(shè)計的功率分束比可調(diào)的功率分束器[170];(d) 基于DBS 算法設(shè)計的任意功率分束比的功率分束器[171]Fig.13.Controllable on-chip optical interconnection devices designed by intelligent methods: (a) Controllable mode converter based on the DBS algorithm[168];(b) controllable three-mode nanophotonic waveguide switch based on the DBS algorithm[169];(c) power splitter with arbitrary split ratio based on pixelated phase change material[170];(d) power splitter with arbitrary split ratio based on the DBS algorithm[171].

5 智能化設(shè)計的系統(tǒng)集成化片上光互連器件

第3 節(jié)介紹了智能設(shè)計方法帶來的片上光互連器件緊湊度的提升.智能化設(shè)計的片上光互連器件,相比于傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果,尺寸往往會有數(shù)量級程度的減小,這對片上大規(guī)模PIC 的發(fā)展具有非常重要的意義.但是,要想實現(xiàn)片上大規(guī)模PIC 的集成,還需要考慮器件間、模塊間、芯片間的連接和布局.因此,這就要求片上大規(guī)模PIC 的重要組成部分––片上光互連系統(tǒng)要盡可能地將器件間的連接部分的尺寸壓縮,并適應(yīng)片上大規(guī)模PIC 的布局方式.

目前,為了進一步提升片上光互連系統(tǒng)的集成度和適應(yīng)度,聚焦于設(shè)計集成化的片上光互連器件,人們努力推進如下幾個方面的進展.第一是設(shè)計多用途集成光互連器件.由于智能設(shè)計方法不受傳統(tǒng)設(shè)計邏輯的局限,因此它可以嘗試將多種功能集成在一個更小的空間內(nèi).通過設(shè)計具有多種用途的片上光互連器件,將原本的一片功能區(qū)域壓縮為一個器件,取消器件間的連接部分,從而大幅度提升整個光互連系統(tǒng)的集成度.第二是將多個功能器件緊密排列,設(shè)計例如“全數(shù)字化集成模塊”的整體光互連區(qū)域.考慮到將某些功能集成到一個器件上可能存在較大的難度,可以將已設(shè)計完成的幾個尺寸相近的器件緊密排列并再次進行整體優(yōu)化,設(shè)計模塊化集成的光互連器件.第三是設(shè)計集成化層間光互連器件.隨著單層芯片上PIC 的集成度提升越來越困難,光子芯片開始向多層結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展.因此芯片的層間光互連成為了片上大規(guī)模PIC的迫切需要,集成化層間光互連器件也成為了提升光互連系統(tǒng)集成度的關(guān)鍵器件.經(jīng)過一系列的努力,人們在以上三方面取得了大量的成果.

5.1 智能化設(shè)計的多用途集成光互連器件

多用途集成光互連器件是指一個集成了多種光互連功能的、可應(yīng)用于不同光互連場景、服務(wù)于不同光互連需求的固定器件.在不同的應(yīng)用場景中,該器件可以發(fā)揮不同的光互連的作用.多用途集成光互連器件的作用如同將一片功能區(qū)域中的若干個器件壓縮為一個器件,能夠在保證系統(tǒng)功能完整的前提下再次大幅縮減系統(tǒng)的占地面積,可以說是一種片上光互連器件高度集成化的理想情況.

雖然將若干功能器件的功能集成到一個單獨的固定器件上的實現(xiàn)難度很大,但是它所能帶來的效益依然吸引著研究者們.例如,2014 年,Piggott等[172]提出了一種波長分解復(fù)用光柵耦合器,其掃描電子顯微鏡成像圖如圖14(a)所示.該器件作為一種光柵耦合器,基本作用是將空間中的光束耦合至片上.但它與普通的光柵耦合器不同的是,它能夠?qū) 波段(波長大約為1300 nm)和C 波段(波長大約為1550 nm)的光耦合至兩個不同的波導(dǎo)中并向兩個不同的方向輸出,其工作原理示意圖如圖14(b)所示.作為一個固定器件,它既可以用于O 波段工作環(huán)境中,又可以在C 波段工作環(huán)境中使用,實現(xiàn)光互連系統(tǒng)的光源輸入或?qū)崿F(xiàn)空間-片上光互連.又如,Shen 等[79]在2015 年采用智能設(shè)計方法設(shè)計的模式轉(zhuǎn)換偏振分束器也是一種多用途集成光互連器件,如圖14(c)所示.當它被用于多偏振態(tài)系統(tǒng)中時,它可以當作普通的偏振分束器使用,而當它被用于多模式系統(tǒng)中時,它又可以當作模式轉(zhuǎn)換器來使用.不同偏振態(tài)的光輸入該器件之后該器件橫截面中的模擬光場分布如圖14(d)所示.

圖14 智能化設(shè)計的多用途集成光互連器件 (a) 波長分解復(fù)用光柵耦合器的SEM 成像圖[172];(b) 波長分解復(fù)用光柵耦合器的工作原理;(c) 模式轉(zhuǎn)換偏振分束器的SEM 成像圖[79];(d)不同偏振態(tài)的光輸入模式轉(zhuǎn)換偏振分束器后該器件橫截面中的模擬電磁場密度分布[79]Fig.14.Multi-purpose integrated optical interconnection devices designed by intelligent methods: (a) SEM image of the wavelength demultiplexing grating coupler[172];(b) working principle of the wavelength demultiplexing grating coupler;(c) SEM image of the mode-switching polarization beam splitter[79];(d) the density distribution of the simulated electromagnetic field in the device[79].

5.2 智能化設(shè)計的模塊化集成光互連器件

在很多片上光互連系統(tǒng)中,單獨的片上光互連器件之間通常采用大量直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)連接.長距離的波導(dǎo)具有較大的尺寸和較高的損耗,特別是一些傳統(tǒng)方法設(shè)計的彎曲波導(dǎo),其曲率半徑要達到數(shù)十微米才能使損耗降到最低.大量的直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)不可避免地導(dǎo)致片上光互連系統(tǒng)的尺寸和損耗的增加.這是一個可能嚴重制約片上光互連系統(tǒng)發(fā)展的問題.為了解決這個問題,國防科技大學(xué)楊俊波課題組[69]提出了一種設(shè)計模塊化集成光互連器件的方法.首先,利用DBS 算法等智能化設(shè)計算法設(shè)計“數(shù)字化”光互連器件.然后,將這些器件緊密排列并再次對整體進行優(yōu)化,從而得到滿足需求的模塊化集成光互連器件.如圖15(a)所示的可調(diào)諧的模式產(chǎn)生器就是一個基于此方法設(shè)計的模塊化集成光互連器件[173].它由一個可調(diào)諧的非對稱定向耦合波導(dǎo)和一個模分復(fù)用器直接連接組成,避免了器件之間通過波導(dǎo)相連,從而大幅度減小了整個模塊的尺寸.基于同樣的設(shè)計方法,該課題組還設(shè)計了一個圖15(b)所示的偏振模式轉(zhuǎn)換器,其長度僅為10 μm.仿真結(jié)果顯示其插入損耗小于1.1 dB,消光比大于20.5 dB[174].相比利用模式雜化理論設(shè)計的偏振轉(zhuǎn)換器,基于此方法設(shè)計的模塊化集成光互連器件的尺寸減小了約60 μm[175].

圖15 智能化設(shè)計的模塊化集成光互連器件 (a) 模塊化集成的可調(diào)諧模式產(chǎn)生器[173];(b) 模塊化集成的偏振轉(zhuǎn)換器[174];(c) 由光子晶體光柵和聚焦波長解復(fù)用器直接相連得到的模塊化集成光互連器件[176];(d) 模塊化集成的偏振分束轉(zhuǎn)換器,由雙層結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)換器和模式分解復(fù)用器直接相連而成[177]Fig.15.Modular integrated optical interconnect devices designed by intelligent methods: (a) Modular integrated tunable mode generator[173];(b) modular integrated polarization converters[174];(c) modular integrated focusing wavelength demultiplexer[176];(d) modular integrated polarization beam-splitting converter[177].

模塊化集成的概念還可進一步拓展至非“數(shù)字化”結(jié)構(gòu)、無需整體優(yōu)化的器件.例如,Huang 等[176]在2020 年設(shè)計的聚焦波長分解復(fù)用器,如圖15(c)所示,可以看作是光柵耦合器和波長分解復(fù)用器直接連接集成的模塊化集成光互連器件.此器件的功能是將從空間入射的寬帶光分解為兩種不同波長的光并從片上的兩路分別輸出.此器件雖然在兩個部分連接后未再進行整體優(yōu)化,但是由于其兩個部分的性能均未受到連接的影響,因此可以直接作為一個模塊化集成光互連器件使用.又如,2022 年,Ruan 等[177]提出了一種基于雙層形狀伴隨法(bi-level shape adjoint method)和拓撲伴隨法(topology adjoint method)設(shè)計的偏振分束轉(zhuǎn)換器(polarization splitter-rotator),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖15(d)所示.該器件由雙層結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)換器和模式分解復(fù)用器直接相連而成,通過選擇性偏振轉(zhuǎn)換和模式分解復(fù)用將TM0和TE0兩種偏振態(tài)的混合光波分為兩路TE0輸出.

模塊化集成器件可以避免將多個功能集成到一個器件上時所面臨的設(shè)計方面的困難,是一種簡單、有效地提升片上光互連系統(tǒng)集成度的思路.

5.3 智能化設(shè)計的集成化層間光互連器件

目前,大多數(shù)片上光互連系統(tǒng)都設(shè)計在單層平臺上,成二維排布的方式.隨著對系統(tǒng)集成度要求的提高,整個系統(tǒng)在光路布局等方面將面臨越來越大的困難.很多時候為了解決光路布局問題,光互連系統(tǒng)不得不使用大量的交叉波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)等器件,這不僅對系統(tǒng)集成度的提升造成很大的影響,還在光互連系統(tǒng)中引入了較高的插入損耗和串擾[133].另一個方面,隨著人類對光子芯片功能需求的逐漸增多,在二維空間內(nèi)單個器件的設(shè)計也會越來越復(fù)雜.過度復(fù)雜的器件在設(shè)計時往往面臨一些困難,最終結(jié)果也很難滿足全部的需求.例如,多通道的模式和偏振復(fù)用是增加光互連帶寬的有效手段,近些年來,對多通道的模式和偏振復(fù)用器的需求十分強烈[178].過去,基于傳統(tǒng)設(shè)計方法,Wang 等[134]利用不同模式的非對稱定向耦合器級聯(lián)組成了8 通道的模式和偏振復(fù)用器;同樣基于非對稱定向耦合原理,該團隊[179]還設(shè)計了10 通道的雙偏振模式復(fù)用器.然而這些基于耦合原理的器件占地面積較大,不符合大規(guī)模集成的要求.雖然Xie 等[132]采用DBS 算法設(shè)計了超緊湊的4 模式模分復(fù)用器,但是如果在智能設(shè)計方法中大量增加設(shè)計目標,比如直接優(yōu)化8 通道或者10 通道的模分和偏振復(fù)用器,不僅會導(dǎo)致優(yōu)化時間成本劇增,并且多目標優(yōu)化可能會導(dǎo)致器件最終的性能不夠理想.

三維電子集成電路給大規(guī)模PIC 的設(shè)計帶來了很好的啟發(fā)[180].人們試圖通過設(shè)計多層PIC 來解決上述兩個問題.多層設(shè)計的大規(guī)模PIC 需要大量層間光互連系統(tǒng)提供通信.實現(xiàn)層間光互連的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計層間光互連器件,包括定向耦合器、光柵耦合器、反射鏡等.近些年來,人們基于傳統(tǒng)設(shè)計方法和智能設(shè)計方法,設(shè)計了很多的層間耦合器件.例如,基于氮化硅波導(dǎo),Moreira 等[181]設(shè)計和加工了一個層間垂直耦合器,其耦合區(qū)域長度為2000 μm,實現(xiàn)了在1550 nm 波長的0.2 dB 的耦合損耗,如圖16(a)所示.Sodagar 等[182]利用GA為Si/SiO2/SiN 多層材料平臺設(shè)計了具有單/雙金屬反射器的層間光柵耦合器,如圖16(b)所示.Zheng等[183]通過反射鏡實現(xiàn)了2.5 dB 耦合損耗的光接近通信(optical proximity communication),通過一對平行的反射鏡,可將一個硅平面上的信號光束大帶寬地傳輸?shù)搅硪粋€硅平行平面上,如圖16(c)所示.這些傳統(tǒng)方法設(shè)計的層間耦合器件,雖然能夠?qū)崿F(xiàn)層間光互連,但依然難以避免緊湊度不足、難以適應(yīng)高度集成的弊端.為了解決這一問題,Yu等[184]采用智能設(shè)計方法設(shè)計了集成的層間光互連器件組(硅層間光學(xué)通道),其尺寸僅為2.8 μm×2.8 μm,在1550 nm 波長的插入損耗為0.55 dB,在1451–1712 nm 的帶寬范圍的插入損耗小于1 dB,如圖16(d)所示.

圖16 智能化設(shè)計的多層光互連系統(tǒng) (a) 基于氮化硅波導(dǎo)的層間垂直耦合器[181];(b) 利用GA 設(shè)計的層間光柵耦合器[182];(c) 基于硅波導(dǎo)的層間反射鏡[183];(d) 采用智能設(shè)計方法設(shè)計的硅層間光學(xué)通道[184]Fig.16.Multi-layer optical interconnection systems designed by intelligent methods: (a) Interlayer vertical coupler based on silicon nitride waveguide[181];(b) interlayer grating coupler designed by the GA[182];(c) interlayer reflectors based on silicon waveguides[183];(d) silicon interlayer optical channel designed by intelligent method[184].

目前,隨著多層微納加工技術(shù)的日漸成熟,層間光互連系統(tǒng)作為一個能夠快速提升系統(tǒng)整體集成度的新技術(shù),已經(jīng)憑借其設(shè)計簡單、低損耗、低串擾的獨特優(yōu)勢逐漸在大規(guī)模多層PIC 中發(fā)揮重要作用.

6 總結(jié)和展望

6.1 本文總結(jié)

片上光互連憑借著其帶寬大、速率高、成本低、能耗低、抗電磁干擾等優(yōu)勢,逐漸成為了解決芯片間通信速率和通信容量壁壘的重要手段.近些年來,在多種智能設(shè)計方法的輔助下,目前片上光互連器件已經(jīng)取得了超緊湊化、可調(diào)控化、系統(tǒng)集成化等可喜的進展,也在這些方面呈現(xiàn)出了更進一步發(fā)展的趨勢.本文綜述了目前最為常用的幾種片上光互連器件的智能設(shè)計方法,并詳細分析了片上光互連器件的幾個重要的發(fā)展趨勢.

本文歸納總結(jié)了幾種有代表性的片上光互連器件的智能設(shè)計方法,包括幾種基于經(jīng)典智能算法的智能設(shè)計方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計方法.這些片上光互連器件的智能設(shè)計方法都具有非常廣的應(yīng)用范圍和非常大的影響力.它們不僅能應(yīng)用于片上器件,還能應(yīng)用于空間光調(diào)制器件,同時不僅能應(yīng)用于光互連,還能應(yīng)用于光計算、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、超透鏡、超表面等新興應(yīng)用領(lǐng)域.在這些智能設(shè)計方法的幫助下,信息光學(xué)、微納光電子學(xué)等學(xué)科的各個分支領(lǐng)域都開啟了迅猛的發(fā)展.

本文從不同的方面介紹了智能化設(shè)計的片上光互連器件一個重要而顯著的優(yōu)勢: 器件超緊湊化.一方面,研究者可以利用智能設(shè)計方法直接設(shè)計出滿足預(yù)設(shè)目標的光互連器件,無需為其提供專門的初始結(jié)構(gòu);另一方面,研究者也可以選擇應(yīng)用智能設(shè)計方法對傳統(tǒng)設(shè)計的光互連器件進行優(yōu)化,從而大大減小其占地面積,提升緊湊度.本文通過若干組功能相同(近)的智能化設(shè)計器件與傳統(tǒng)設(shè)計器件的對比,顯示了智能化設(shè)計對片上光互連器件緊湊度提升的明顯作用.

本文介紹了基于相變材料的智能化設(shè)計的可調(diào)控的片上光互連器件.實現(xiàn)光子器件的可調(diào)控意義非凡,不僅能使器件或系統(tǒng)的功能更加靈活,還能通過多種功能的集成來大幅減小器件或系統(tǒng)的占地面積.傳統(tǒng)的實現(xiàn)光子器件可調(diào)控的方法存在諸多弊端,比如硅材料折射率的改變范圍小、需要持續(xù)供能等.相變材料憑借其折射率變化范圍大、狀態(tài)非易失的優(yōu)良特性正在成為可調(diào)控光子器件的重要材料選擇.智能化設(shè)計的可調(diào)控片上光互連器件的功能豐富多樣,涵蓋了可調(diào)控光開關(guān)、交叉波導(dǎo)、模式轉(zhuǎn)換器、功率分束器等諸多方面,顯示出了智能設(shè)計方法和相變材料廣泛的適應(yīng)性和實用性.

本文從三方面介紹了人們通過設(shè)計集成化片上光互連器件來提升片上光互連系統(tǒng)的集成度和對PIC 布局適應(yīng)度的努力.一是設(shè)計多用途集成光互連器件.通過將多種功能器件的功能集成在一個固定的多種用途集成光互連器件上,來大幅度提升整個器件系統(tǒng)的集成度.二是將多個功能器件緊密排列,設(shè)計多功能的模塊化集成器件.這樣可以避免將某些功能集成到一個器件上時存在的設(shè)計難度.三是設(shè)計集成化層間光互連器件.為了解決在單層芯片上實現(xiàn)大規(guī)模PIC 時遇到的器件復(fù)雜度、光路布局等瓶頸,人們開始發(fā)展多層大規(guī)模PIC.因此,需要大量的層間光互連系統(tǒng)作為連接.集成化層間光互連器件作為一種實現(xiàn)層間光互連的重要方式為PIC 集成度的提升做出了很大貢獻.

智能化設(shè)計為片上光互連器件的發(fā)展提供了嶄新的思路和充足的動力,在相變材料等新興材料、多層設(shè)計等新興設(shè)計思路的輔助下,智能化設(shè)計的片上光互連器件的發(fā)展更加具有廣闊的想象空間.

6.2 智能化設(shè)計片上光互連器件的未來發(fā)展趨勢展望

智能化設(shè)計的片上光互連器件作為一個新興的領(lǐng)域,其未來的發(fā)展方向、發(fā)展思路自由且豐富.本節(jié)根據(jù)前文所做的總結(jié)梳理,提出以下幾個方面的展望.

首先在設(shè)計方法方面.第一,幾十年來,經(jīng)典的智能算法已經(jīng)在各個學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但是考慮到一些算法的優(yōu)化思路與片上光子器件的設(shè)計需求匹配度不高,還有一些算法存在收斂速度慢、自由度較低、魯棒性較差的弊端,因此期望未來出現(xiàn)更多在片上光子器件設(shè)計領(lǐng)域適應(yīng)性強的、性能優(yōu)良的算法.第二,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種強大的計算機工具已經(jīng)在人們生產(chǎn)生活等各個方面一再地證明了其適應(yīng)性和能力.未來隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展,更加先進的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也會隨之出現(xiàn).與此同時,經(jīng)典智能算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也會不斷給本領(lǐng)域帶來嶄新的成果.第三,每一種算法都是為了解決一類問題而發(fā)明和使用的,隨著片上光子器件的設(shè)計逐漸復(fù)雜化,單一的算法解決全部設(shè)計問題的難度也會隨之增大.因此,未來將幾種算法的優(yōu)勢結(jié)合起來,利用幾種算法聯(lián)合優(yōu)化某一功能器件的情況將會越來越多地出現(xiàn)在人們眼前.

其次在器件功能方面.第一,相變材料的卓越性能已經(jīng)深深地吸引了廣大研究者的注意.未來可以預(yù)見的是,基于相變材料的可調(diào)控光子器件將會層出不窮.同時,基于智能設(shè)計方法對不同材料的廣泛適應(yīng)性,智能設(shè)計的超緊湊可調(diào)控片上光互連器件將會為片上光互連系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用做出重大貢獻.第二,雖然多用途集成光互連器件的實現(xiàn)難度很大,但是它所能帶來的效益依然吸引著廣大研究者.可以期望的是,未來隨著智能設(shè)計方法的不斷進步,多功能、多用途的片上光互連器件將會越來越常見.

最后在系統(tǒng)性能方面.第一,正如目前在電子芯片領(lǐng)域可以看到的那樣,人們對單獨器件的緊湊度、系統(tǒng)整體的集成度的追求是沒有止境的.有強大的需求動力作為牽引,再加上使用材料、設(shè)計方法方面的不斷創(chuàng)新,片上光互連器件的緊湊度一定會得到進一步提高.第二,片上光互連系統(tǒng)作為芯片間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?其通信帶寬、通信速率等技術(shù)指標無疑是研究者們最關(guān)心的.伴隨著波分復(fù)用技術(shù)、偏振復(fù)用技術(shù)、光時分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)等先進技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,可以期望的是,未來片上光互連系統(tǒng)的通信帶寬將得到進一步增大,通信速率將得到進一步提高.