テラヘルツトポロジカル導波路の逆最適化設計によるオンチップ通信

科学分野:

• フォトニクスおよび光学工学
• 縮退物質物理学
• 計算電磁気学

背景:

• トポロジカル導波路は、ロバストな低損失信号伝送を提供する。
• バレーフォトニック結晶は、導波路設計にユニークなトポロジカル特性を提供する。
• テラヘルツ（THz）オンチップ通信は、高帯域幅と低損失を要求する。

研究 の 目的:

• テラヘルツトポロジカル導波路の逆設計フレームワークを開発すること。
• オンチップ通信性能を向上させるために導波路構造を最適化すること。
• 導波路構造とビット誤り率（BER）および帯域幅などの通信指標との直接的な関連を確立すること。

主な方法:

• トポロジカル導波路構築のためにバレーフォトニック結晶を利用した。
• 構造パラメータから導波路性能の高精度予測のために深層ニューラルネットワーク（DNN）を訓練した。
• フォワード設計フローを確立するために、DNNをテラヘルツオンチップ通信リンクと統合した。
• 導波路構造の逆最適化のために粒子群最適化（PSO）を適用した。

主要な成果:

• 30,000エポック後、DNN予測誤差を10^-6.5まで達成した。
• 導波路構造から通信性能（BER、帯域幅）へのマッピングを行うフォワード設計フローを確立した。
• 14.81 GHzおよび13.67 GHzの帯域幅で、低BER 3.33 Gbps通信をサポートする2つのテラヘルツ通信ウィンドウ（約0.28 THzおよび0.31 THz）を特定した。
• BERしきい値を10^-3未満に満たす最適化を実証した。

結論:

• 提案されたフレームワークは、テラヘルツトポロジカル導波路の「オンデマンド」逆設計を可能にする。
• THzオンチップ通信導波路のインテリジェント最適化のための効率的で便利なアプローチを提供する。
• 高度な通信アプリケーションのための高性能テラヘルツ集積回路の実現を促進する。