片上光学斯格明子(Optical Skyrmion)产生与验证系统

SOI 220 nm 硅光芯片:一个 R = 3 µm 的双角向光栅微环在自由空间产生 Stokes 光学斯格明子光束,驱动 MZI 电切换拓扑数 N = ±1 / ±2; 一个由 16 个片上偏振计像素组成的 "Stokes ring" 验证器不用相机直接读出 skyrmion number。全部器件与系统均用 PhotonStack 求解器系列设计和仿真。

PhotonStack · PSMEMEPhotonStack · PSFDTDPhotonStack · PSField SOI 220 nmλ ≈ 1529 nmRTX 4090 GPU2026-10

0概要

所有数字均为仿真结果(3D FDTD 远场 / EME / FDE / 多物理场),尚未流片测试。

最终发射器 skyrmion number(CCW 驱动)
−1.023
虚拟偏振相机 −1.019
同一器件 CW 驱动
+1.002
与镜像 CCW 场重叠 1.00000
N = 2 设计(g2 = 32)
−1.945
CW 驱动 +1.946
临界耦合 · 向上发射
38.5 % @ 1529.3 nm
T_min 0.07,Q_L 1208
片上 Stokes-ring 读出
100 %
有效态读对整数;混合态 100 % 判无效
3D FDTD(21.5 M 单元)
17–53 min / run
PSFDTD · RTX 4090 · FP32
总览
总览:双 C 线光栅微环(红:内侧 28 孔 → σ+,橙:外侧 31 孔 → σ−);3D FDTD 远场 s3 纹理(箭头为 Stokes 方位 (s1, s2),虚线圈为核心边界); 透射/发射谱;MZI 编程的拓扑切换;片上读出的像素环半径窗口与对准容差;偶极子模型工艺容差。

1PhotonStack 求解器与运行环境

本项目的每一个器件都用 PhotonStack 求解器系列完成——从截面模式、本征模展开、全波 3D FDTD 到热-光多物理场,没有使用任何商业求解器。

求解器核心实现本项目中的用途
PSMEME · FDERust 全矢量有限差分本征模求解(Tidy3D 对角公式,shift-invert Krylov-Schur),CPU(faer 超节点 LU)/ CUDA(多波前 LU)双后端,FP64 直/弯波导模式;弯曲波导保角映射(ε、μ 各向异性变换)求微环回音壁模、方位阶数与 C 线位置;pulley 耦合区的双波导弯曲超模;偶极子模型的驱动场
PSMEME · EME同一 FDE 内核上的本征模展开,对称接口格式(互易、无源),Redheffer 星积级联 MMI 1×2 / 2×2 / 1×3 长度与端口优化;点耦合器(41 段台阶近似弯曲间隙)耦合系数
PSFDTDRust 主体 + C++/CUDA 内核的 3D FDTD:非均匀/定制网格、Kottke 子像素平滑、CPML、内置 PSMEME 模式源与模式监视器、近远场投影、harminv 双光栅微环发射器全波仿真(6 次,各 ~21 M 单元):谐振、Q、透射/反射/上下发射通量、远场 E(θ, φ)
PSFieldRust 盒积分有限体积多物理场 TCAD(热传导 κ(T)、TiN 焦耳热、热光微扰 Δn_eff),Newton + faer LU MZI 臂 TiN 移相器 P_π 与阶跃响应;微环 TiN 调谐器 nm/mW
分析层本项目 Python 包 skyrmion(numpy/scipy),调用上述求解器 Stokes/Berg–Lüscher skyrmion number、偶极子代理模型、虚拟偏振相机、片上读出系统仿真、MZI/系统预算、klayout 版图

硬件与软件环境

硬件
CPUAMD Ryzen 9 9950X,16 核 / 32 线程
内存64 GB
GPUNVIDIA GeForce RTX 4090,24 GB GDDR6X(Ada,CC 8.9,~1.0 TB/s)
GPU 驱动591.86(CUDA 13.1 runtime)
软件
操作系统Windows 11 Pro for Workstations(10.0.26200)
PSFDTD0.1.0(kernel ABI 4,后端 cpu + cuda),FP32
PSMEME fde0.1.0(PyO3 扩展,后端 cpu + cuda)
PSField0.1.0(Rust core psfield._core)
工具链Rust 1.91.1,CUDA Toolkit 12.9,Python 3.12,klayout 0.30

3D FDTD 运行时间(PSFDTD,RTX 4090)

运行用途网格单元时间步物理时间GPU 推进总墙钟吞吐
1 · dual_N1_g150Ø70 孔 + 点耦合539×565×6720.4 M244 7258.0 ps33.4 min36.0 min2.49 G
2 · dual_N1_p44Ø80 孔 + 44° pulley563×570×6721.5 M210 6006.9 ps29.0 min33.4 min2.60 G
3 · N1_final74° pulley(过耦合)563×570×6721.5 M136 9004.5 ps21.0 min23.5 min2.33 G
4 · N2_finalN = 2 设计(g2 = 32)563×570×6721.5 M136 9004.5 ps19.1 min22.4 min2.56 G
5 · N1_cwCW 驱动(总线右端)563×570×6721.5 M136 4004.5 ps14.1 min16.6 min3.47 G
6 · N1_crit最终设计:25° pulley 临界耦合563×570×6721.5 M296 8009.7 ps50.5 min52.9 min2.11 G
合计(6 次全波仿真)3.08 h

吞吐单位:G 单元·步/s。面内 15 nm 定制均匀网格(覆盖环与耦合区,外侧渐变),z 向自动网格(Si 内 27.5 nm),dt = 0.033 fs,CPML 12 层,FP32; 墙钟含模式求解(13–28 s)、几何栅格化与近远场投影后处理(2–4 min,21–29 个波长 × 10 920 个方向)。能量衰减到 1e-5 时自动停止。

这些 FDTD 运行期间 GPU 同时在跑另一个 3D 逆向设计任务(PSInverse),实测吞吐 2.1–3.5 G 单元·步/s;PSFDTD 在 RTX 4090 独占时的基准为 7–9 G 单元·步/s, 独占运行时上表时间约可缩短为 1/2–1/3。

其他求解器单次调用耗时(同一台机器实测)

求解器任务CPUCUDA
PSMEME FDE500×220 nm 条波导,4 个模式,134×82 网格0.76 s0.10 s
PSMEME FDER = 3 µm 弯曲环(保角映射),3 个模式,119×1130.53 s0.15 s
PSMEME FDE环谐振扫描(11 个波长)0.93 s—
PSMEME FDEpulley 双波导弯曲超模,8 个模式0.53 s—
PSMEME EMEMMI 1×2(19 段,24 模)20.4 s9.1 s
PSMEME EMEMMI 2×2(19 段,30 模)—9.9 s
PSMEME EME点耦合器(41 段,12 模)121.5 s30.4 s
PSFieldTiN 加热器:网格 + 5 个功率点稳态热 + 热光 Δn_eff0.73 s—
分析层偶极子远场 + N(61×96 方向)/ 远场 → Stokes → N(91×120)/ 虚拟相机(161² 像素)27 ms / 4 ms / 14 ms—

CUDA 时间同样是在 GPU 被另一任务占满(~99 %)的情况下测得。整个设计流程中 FDE/EME/PSField/分析层的总计算量为分钟级,3D FDTD 占总计算时间的 95 % 以上。

2整体架构与系统框图

依据文献调研(片上 skyrmion 的三条实验路线:双角向光栅微环、可编程 mesh + 2D 光栅、逆向设计 meta-waveguide),选择紧凑的双光栅微环作为产生器, 把可编程性放在"模式空间"(CW/CCW 驱动比),并针对"片上直接读出 skyrmion number"这一研究空白设计验证器。

产生器 Generator(×2:N = ±1 环 / N = ±2 环) 激光 1529 nmTE, 1 mW 光栅耦合器−4.3 dB MMI 1×2W 2.5 L 5.2 µmPSMEME-EME TiN 移相臂 φaPSField TiN 移相臂 φbPSField MMI 2×2W 3 L 10.25 µmPSMEME-EME 双 C 线光栅微环 R = 3 µm 内 C 线 g1 = 28 → σ+,ℓ = 0 外 C 线 g2 = 31 / 32 → σ−   ℓ = −1 / −2 → N = ∓1 / ∓2 25° pulley 临界耦合 环形 TiN 锁谐振 PSFDTD 3DPSMEME-FDE α:MZI 输出 1 → 总线左端 → CCW 模 → N = −n β:MZI 输出 2 → 总线右端 → CW 模 → N = +n 自由空间 Stokes skyrmion 光束(核心 NA ≈ 0.19) 验证 Verification 物镜 NA 0.4 + 4f 中继傅里叶面 → 验证区,571 µm/NA(或傅里叶面相机:虚拟偏振成像) Stokes-ring 像素阵列 核心 1赤道 8边界 7 每个像素:片上偏振计 PSGC 偏振分束光栅 → a_x, a_y 2 × MMI 1×3(1/3 分光)EME MMI 2×2 → |a_x ± i a_y|²(S3)EME 90° 加热器 + MMI 2×2 → |a_x ± a_y|²(S2) 直接探测 |a_x|², |a_y|²(S1) 6 个 Ge PD,条件数 1.89 拓扑读出 p = sign s3(核心) m = 赤道环 Φ = arg(s1+is2) 的绕数 N = p · m 有效性:s3(核心)·s3(边界) < −0.8 质量:(m/2)(s3c − s3b)

产生原理

  • TE 回音壁模 e^{ipφ} 的面内场 (E_r, E_φ) 在波导中心两侧各有一条"C 线"(纯圆偏振线):内侧 e₊、外侧 e₋,传播方向反转则互换。
  • 在两条 C 线上各刻一组角向孔光栅(g1、g2 个孔),每组只辐射一种自旋,OAM ℓ = p − g − σ(Cai 2012 / Lin 2021, 2024)。
  • p = 29:内侧 g1 = 28 → σ+、ℓ = 0(J₀ 型中心);外侧 g2 = 31 → σ−、ℓ = −1;远场 N = ℓout − ℓin = −1。g2 = 32 → N = −2。
  • 器件关于 y 轴镜像对称(首孔在 φ = 90°)→ CW 驱动的远场是 CCW 的镜像,N → −N。

验证原理

  • N = (1/4π)∬ s·(∂ₓs × ∂ᵧs)。对单核心 skyrmion,N = p·m:p 为核心极性,m 为环绕核心任一闭合回路上 Stokes 方位角的绕数。
  • 因此只需 1 个核心像素 + 一圈像素(相邻 |ΔΦ| < π,K = 8 可分辨 |m| ≤ 3)即可读出整数 N,无需成像;7 个边界像素检查纹理是否闭合。
  • "金标准":虚拟傅里叶面偏振相机(6 幅分析图 + 噪声)→ Stokes → Berg–Lüscher 三角形立体角求 N。

3系统版图

klayout 生成,1.8 × 0.85 mm。层:1/0 Si 全刻蚀,2/0 110 nm 部分刻蚀(C 线孔),3/0 70 nm 浅刻蚀(光栅耦合器、PSGC),11/0 TiN,12/0 金属,20/0 Ge PD。 下载 GDS

全芯片版图
全芯片:左侧两套产生器(上:N = ±1 环,下:N = ±2 环),右侧 Stokes-ring 验证器(16 个像素,径向排布,无波导交叉)。
产生器
产生器:GC → MMI 1×2 → 两条 100 µm TiN 加热臂 → MMI 2×2 → 双端驱动微环(左端 → CCW、右端经上方回绕 → CW),两路 300 nm 间隙监测抽头至 GC。
微环器件
微环器件:450 nm 环波导、内外 C 线 Ø80 nm 孔(红)、25° pulley 总线(330 nm,间隙 200 nm,5 µm 反向弯曲)、1.2 µm TiN 环形加热器(橙)。
验证器
验证器:核心像素 + 赤道环 8 个(半径 80 µm ↔ NA 0.14)+ 边界环 7 个(114 µm ↔ NA 0.20);22.5° 方向留作核心像素走线通道。
Stokes 像素
单个 Stokes 像素(径向朝外):PSGC → 两个 MMI 1×3 → MMI 2×2(S3)与 90° 加热器 + MMI 2×2(S2)→ 6 个 Ge PD。

4微环与 C 线 PSMEME · FDE

方法:弯曲波导保角映射 (r, y, φ) → (x = r − R, y, z = Rφ),ε'ₓ = εh、ε'ᵧ = εh、ε'_z = ε/h(μ 同),h = 1 + x/R; 模式 e^{iβz} 即 e^{ipφ},p = 2πn_eff R/λ。10 nm 网格,按场质心剔除外侧"假"回音壁模。圆偏振度 C = 2Im(E_r*E_φ)/(|E_r|²+|E_φ|²),E_φ = E'_z/h。

FDE 环模式
Si 450 × 220 nm、SiO₂ 包层、R = 3 µm:弯曲 TE₀ 模(n_eff = 2.368,p = 28.98 @ 1540 nm);C 线位于 r − R = ∓0.16 µm(C = ±1.00,沿厚度不变); 未刻孔时 p = 29 谐振 1539.4 nm,FSR ≈ 30 nm,n_g = 4.14。
设计结果:内 C 线 g1 = p − 1 = 28(σ+,ℓin = 0),外 C 线 g2 = p + 2 = 31(σ−,ℓout = −1)→ N = −1;g2 = p + 3 = 32 → N = −2。 避开 g2 = p + 1(g1 + g2 = 2p 会经光栅二阶分量直接耦合 CW/CCW)。孔 Ø80 nm × 110 nm 半刻蚀。

5总线耦合 PSMEME · EMEPSMEME · FDEPSFDTD

方法:(1) 点耦合器——EME,41 段台阶近似弯曲间隙 g(z) = g₀ + R − √(R² − z²),端口模式投影; (2) pulley——两根波导放在同一弯曲截面(保角映射)求超模,相位匹配要求 n_eff 参考 R 相等;(3) 3D FDTD 的 (T_min, Q_L) 联立反推 Q_i 与 κ²,标定耦合角。

耦合器
左:点耦合 κ² 仅 3.9 % / 1.6 % / 0.7 %(间隙 100/150/200 nm),远低于临界耦合所需 ~11 %;中:g = 200 nm 时 330 nm 宽 pulley 总线相位匹配; 右:CMT 预测完全转移角 197°,44°/74° 两次 FDTD 标定为 116°(弯曲增强耦合),临界耦合 → 25°。
耦合方案T_minQ_LQ_i(反推)状态
点耦合 150 nm(Ø70 孔)0.403677~4500严重欠耦合
pulley 44°0.25766~3100过耦合
pulley 74°0.47417~2700强过耦合
pulley 25°(最终)0.0712081900–3300†临界耦合

† 由 T_min 与 Q_L 反推 Q_i 有欠/过耦合两个解;接近临界时两解都满足 κ² ≈ 往返损耗。

63D FDTD 发射器 PSFDTD

方法:总线左端(或右端)TE₀ 模式源(PSMEME 在 PSFDTD 晶格上求模),宽带高斯脉冲;两端模式监视器得透射/反射,z = 0.9 µm / −0.7 µm 通量面得上/下发射, 环内 harminv 探针得谐振与 Q;z = 0.9 µm 平面近远场投影得 E(θ ≤ 30°, φ),按物镜正弦条件映射到光瞳面,(cosθ)^{-1/2} 切趾,计算 Stokes 纹理与核心 skyrmion number (核心 = s3 首次到达与中心相反符号极值的圆盘,即 σ+ 分量第一暗环)。对称 SiO₂ 包层。

运行孔 / 耦合λ_res (nm)Q_LT_min上 / 下 / 侧N_core(远场)虚拟相机 N
1Ø70 / 点耦合 150 nm1531.7536770.400.17 / 0.17 / —−1.011*−0.997*
2Ø80 / pulley 44°1529.337660.250.31 / 0.33 / 0.11−1.008−1.004
3Ø80 / pulley 74°1529.04170.470.22 / 0.23 / 0.08−1.002−0.997
4Ø80, g2 = 32 / 74°1528.74190.510.18 / 0.20 / 0.11−1.945−1.945
5同 3,CW 驱动1529.04170.470.22 / 0.23 / 0.08+1.002+0.998
6(最终)Ø80 / pulley 25°1529.312080.070.385 / 0.405 / 0.14−1.023−1.019

* 运行 1 的远场采样波长全部偏离 0.4 nm 宽的谐振,且 8 ps 截断了振铃;之后降低 Q_L 并在谐振处密集采样远场。刻孔使谐振从 1539.4 nm(FDE)蓝移至 ~1529 nm。

最终发射器(运行 6,25° pulley,CCW)

最终远场纹理
1529.25 nm 远场光瞳面:强度、s1、s2、s3 与偏振椭圆(红 e₊,蓝 e₋)。中心 s3 = +0.998,核心边界(NA 0.193)s3 = −0.963,绕数 m = −1,helicity −176°(近 Néel-II), N_core = −1.023;1527–1532 nm 内 N = −1.00 … −1.03。强度三重畸变来自两组光栅"错误自旋"分量的 g2 − g1 = 3 拍频,不改变拓扑。
谱
总线透射与上/下发射:临界耦合 T_min = 0.07,谐振处 38.5 % 向上、40.5 % 向下、反射 < 0.1 %。远离谐振处透射 0.82–0.88:330 nm 窄总线在 5 µm 反向弯曲处辐射(待加宽)。
累积 N
累积 N(NA):在 σ+ 第一暗环(NA ≈ 0.19)达到 −1 平台;更外侧 Bessel 旁瓣构成 target-skyrmion 结构,因此 N 定义在核心圆盘上。

CW 驱动与 N = 2 设计

CW
同一器件从总线右端驱动:N = +1.002(中心 s3 = −0.997、边界 +0.942)。与镜像后的 CCW 远场场重叠 |⟨M F_ccw|F_cw⟩| = 1.00000——镜像对称精确成立。
N2
g2 = 32:绕数 −2(s1/s2 四瓣),N_core = −1.945(中心 +0.975、边界 −0.936,四重畸变 g2 − g1 = 4);偏离 2 来自核心闭合不完美。

7工艺容差 PSMEME · FDE偶极子代理模型

方法:每个孔视为点偶极子 p ∝ (ε_h − ε_Si)V[η(E_r e_r + E_φ e_φ) + E_z e_z](η = 2ε_Si/(ε_h+ε_Si) 为竖直圆柱的面内去极化),驱动场取 PSMEME 弯曲模在孔心的值, 远场为阵列求和。与 3D FDTD 对照:N −0.999 vs −1.002、核心 NA 0.209 vs 0.193、S₀ 加权纹理相似度 0.94;单次 27 ms(FDTD 需 ~25 min),用于 Monte Carlo。

容差
C 线光栅径向偏移(共同 / 反向)与环宽误差对 N 和外圈自旋纯度的影响。
扰动N = 1 设计N = 2 设计
两组光栅共同径向偏移 ±50 nmN ∈ [−1.09, −1.00]N ∈ [−2.01, −1.99]
两组光栅反向偏移 ±50 nmN ∈ [−1.05, −1.00]N ∈ [−2.01, −1.99]
环宽误差 ±40 nm(孔不动)−1.00 ± 0.01−1.99 ± 0.01
随机孔位抖动 20 nm + 孔径 20 %−0.970,成功率 100 %−1.947,97 %
随机孔位抖动 40 nm + 孔径 20 %−0.939,87 %−1.898,50 %
随机缺孔 20 %−0.960 ± 0.02,100 %−1.933 ± 0.04,83 %

成功率:|N − N_design| < 0.1,每点 30 次随机实现。环宽误差只移动谐振(由环形加热器补偿);N = 2 对随机误差更敏感,建议孔位误差 ≤ 20 nm、尺寸偏差 ≤ 10 %。

8驱动 MZI:MMI 与 TiN 移相器 PSMEME · EMEPSField

方法:EME 由输入/输出直波导 + 8 段锥形台阶 + MMI 主体组成,24–30 个模式,端口模式投影 Sport = MᵀSM;长度/端口位置扫描。 PSField:2D 截面(BOX 2 µm、20 µm Si 衬底热沉)稳态热传导 κ(T) + TiN 面外焦耳热 + 热光微扰 Δn_eff,BDF2 瞬态阶跃响应。

MMI
MMI 长度扫描:1×2(选 5.2 µm)、2×2 配对干涉(端口 ±0.5 µm,10.25 µm)、1×3(5.0 µm)。
器件尺寸结果
MMI 1×2W 2.5, L 5.2 µm2 × 48.7 %(0.11 dB),1.52–1.55 µm 内 48.5–48.8 %
MMI 2×2W 3.0, L 10.25 µm52.3 / 42.7 %(0.88 dB 不平衡,总 94.9 %),0.494π
MMI 1×3W 3.0, L 5.0 µm31.2 / 34.0 / 31.2 %(总 96.3 %)
TiN 移相臂2 µm × 120 nm,距 2 µm,100 µmP_π = 23.5 mW,上升 17.8 µs
TiN 移相臂(近距)距 1 µmP_π = 18.0 mW,上升 10.8 µs
环形调谐器1.2 µm,距 1.5 µm,2πR0.74 nm/mW(2D 近似)
加热器
PSField:P_π 时的温升分布与阶跃响应。
MZI 与衬底
左:由 EME S 矩阵组合的驱动 MZI——插损 0.26 dB,两输出消光比 25.9 dB,一个 P_π(23.5 mW、~18 µs)把 N 翻转为 −N。 右:Si 衬底反射下上发射占比随 BOX 厚度的变化(平面波估计):BOX 2.22 µm 时 71 %,标准 2.0 µm 只有 36 %。

9拓扑编程:CW/CCW 叠加

方法:远场对驱动线性,E = αFccw + βFcw,Fcw 取镜像(运行 5 已验证与直接仿真一致到 1e-5);在 |β/α| ∈ [10^−1.5, 10^1.5] × 12 个相位上计算核心 N。

叠加
N 随 |β/α| 从 −1 平滑过渡到 +1(|β/α| = 1 时 N = 0),相对相位只使曲线平移;中间态的核心边界不闭合,不是量子化 skyrmion。
结论:|N − N_design| < 0.1 要求 MZI 消光比 ≥ 18 dB(< 0.05 需 ≥ 22 dB)。EME 设计的 MZI 为 25.9 dB,满足——超过阈值后 N 被"数字化"地锁定在 ±1。

10验证系统

10.1 虚拟傅里叶面 Stokes 偏振成像(实验金标准)

方法:物镜 NA 0.4、161 × 161 像素相机、六个分析器设置(H/V/D/A + 四分之一波片 R/L),泊松散粒噪声(峰值 2×10⁴ e⁻)+ 5 e⁻ 读出噪声 + 40 dB 偏振片消光, 重建 Stokes 后用 Berg–Lüscher 三角形立体角求 N。所有 skyrmion 态的相机 N 与真值相差 ≤ 0.007(见上表)。

10.2 片上 Stokes-ring 读出

方法:FDTD 远场 → 571 µm/NA 成像到验证区 → 高斯接收模式(w = 5 µm)采样 → PSGC Jones 矩阵 → 偏振计(EME MMI S 矩阵,仪器矩阵 6×4 标定,条件数 1.89) → 散粒/读出噪声 → N = p·m。像素轴径向放置,读出时把 (S1, S2) 旋转 2φ_k 回实验室坐标。每点 20–40 次噪声实现。

验证器系统仿真
左:像素位置叠加在 s3 纹理上(箭头为测得 Stokes 方位);中:读出正确率 vs 像素环半径;右:vs 成像失配与光子数。
参数读出正确的范围
像素环半径N = 1:NA 0.03–0.165;N = 2:0.12–0.18 → 取 0.14
每像素光电子数≥ 30 e⁻ 即 100 %
成像横向失配N = 1:≤ 0.10 NA(芯片上 ±57 µm);N = 2:≤ 0.04 NA
PSGC 偏振串扰到 −6 dB 仍正确,需 x/y 差分相位 < 1 rad
90° 延迟误差(不重新标定)0.8 rad 内仍正确
光子预算1 mW 激光 → 每像素 ~15 nW → 1.5×10⁴ e⁻/µs/PD,读出 < 1 µs
态|β/α|真值 N相机片上 p·m质量有效
N10−1.002−0.997−1−0.957是
N10.12−0.946−0.939−1−0.915是
N10.3−0.755−0.761(−1)−0.756否
N11+0.074+0.043(+2)+0.094否
N13.3+0.831+0.837(+1)+0.806否
N18+0.982+0.979+1+0.935是
N1∞+1.002+0.998+1+0.957是
N20−1.945−1.945−2−1.910是
N210.0000.000(0)0.000否
N2∞+1.945+1.946+2+1.910是

18 个编程态(表中为代表):所有有效 skyrmion 态(|β/α| ≤ 0.12 或 ≥ 8)均 100 % 读出正确整数;所有混合态(0.3 ≤ |β/α| ≤ 3.3)均被边界像素判为无效, 其质量指标 (m/2)(s3c − s3b) 与真值相差 ≤ 0.13。

11验证器为什么排成一圈?X-Y 阵列可行吗?

读出公式 N = p·m 只要求一条环绕核心的闭合回路,并不要求圆形。比较三种排布(同一 FDTD 远场、同一偏振计与噪声模型,16 次噪声实现): K = 8 圆环(像素轴径向)、3×3 方形回路(8 个周边像素 + 中心,X-Y 放置、像素轴一致)、n×n 全 X-Y 阵列(5×5 / 7×7 / 9×9)用 Berg–Lüscher 直接求格点 N。

几何比较
上:N = 1 设计;下:N = 2 设计。左:读出正确率 vs 排布尺寸(圆环半径 / 方形半间距 / 阵列半宽,单位 NA);右:vs 成像失配。
排布像素 / PDN = 1 尺寸窗口N = 1 失配容差N = 2 尺寸窗口N = 2 失配容差其他
K = 8 圆环(当前)9 / 54r 0.03–0.18≤ 0.10 NA(0.08 处单点失败)r 0.12–0.18≤ 0.03 NA径向走线无交叉;+7 边界像素做有效性判断
3×3 方形回路(X-Y)9 / 54a 0.03–0.12≤ 0.10 NAa 0.105–0.12≤ 0.01 NA像素轴一致,无需旋转标定
7×7 全阵列(X-Y,格点 N)49 / 294半宽 0.12–0.21≥ 0.16 NA半宽 0.18–0.21≤ 0.05 NA可测任意纹理(bag、bimeron、多核)
为什么用圆:skyrmion 纹理近似轴对称,圆周上 s3 恒定(取赤道 s3 ≈ 0,Stokes 方位角定义最好、强度均匀);方形回路的角点比边中点远 √2 倍, 会跨出"可用环带"——对 N = 1 环带宽(NA 0.03–0.18),方形同样可用;对 N = 2 环带窄(σ+ 核心呈平顶,NA 0.12–0.18),方形窗口缩到 0.105–0.12、失配容差降到 0.01 NA。 圆环还以最少像素达到同样的绕数分辨率,且像素可径向排布、电路沿半径外引,版图无波导交叉。
X-Y 可行:(1) 3×3 方形回路对 N = 1 与圆环等效(同样 9 个像素、0.10 NA 失配容差),像素轴统一、不需每像素旋转标定,但对 N = 2 不够稳健; (2) 7×7 全 X-Y 阵列 + 格点 Berg–Lüscher 是"片上低分辨偏振相机":N = 1 的失配容差最好(测试范围 0.16 NA 内全部正确),还能测非轴对称纹理, 代价是 49 像素 / 294 个 PD、密集走线与更大的中继放大倍数,且阵列半宽需与核心匹配(两种设计共同窗口 0.18–0.21 NA)。
建议:已知设计的紧凑读出用圆环;需要放宽对准或测量任意纹理时用 7×7 X-Y 阵列。

12结论与分析

指标值来源
工作波长 / 线宽1529.3 nm / 1.27 nm(Q_L 1208)PSFDTD
拓扑数−1.023(CCW)/ +1.002(CW);N = 2 设计 −1.945 / +1.946PSFDTD 远场
发射效率(临界耦合)38.5 % 上 / 40.5 % 下;BOX 2.22 µm 时上 ≈ 56 %PSFDTD + 反射估计
驱动 MZI0.26 dB,消光 25.9 dB(要求 ≥ 18 dB),P_π 23.5 mW,~18 µsPSMEME-EME + PSField
谐振锁定0.74 nm/mW → 一个线宽 ≈ 1.7 mWPSField
工艺容差(|ΔN| < 0.1)C 线 ±50 nm、环宽 ±40 nm、孔位 ≤ 20 nm、缺孔 ≤ 20 %偶极子模型(PSMEME 模场)
片上读出有效态 100 % 正确、混合态 100 % 判无效、失配 0.10 / 0.04 NA系统仿真

主要结论

  • 拓扑由光刻决定且鲁棒:N 只取决于两组 C 线光栅的孔数(g1、g2);在 5 nm 带宽内、各种耦合状态(欠/临界/过耦合)下,N = 1 设计保持在 −1.00…−1.03,N = 2 设计在 −1.90…−1.95(偏差来自核心闭合不完美);±50 nm 光栅位置误差下 |ΔN| < 0.1。
  • 耦合决定效率而非拓扑:R = 3 µm 的点耦合太弱;pulley 必须用 FDTD 标定(弯曲使耦合比 CMT 强 1.7 倍),25° 实现临界耦合,上发射 38.5 %。
  • 可编程性是数字化的:MZI 消光比超过 18 dB 后 N 锁定在 ±1;中间驱动比给出非量子化纹理,可被片上读出识别。
  • 片上读出可行:16 个偏振计像素即可替代相机读出 N,光子预算充裕(读出 < 1 µs),关键容差是中继对准与 PSGC 的 x/y 差分相位。

局限与下一步

  • FDTD 用对称 SiO₂ 包层;含 Si 衬底与 BOX 优化(2.22 µm)需全波复核(标准 2.0 µm 接近极小)。
  • 330 nm 总线在反向弯曲处 0.6–0.8 dB 辐射,需在弯曲段加宽。
  • PSGC 未做 3D FDTD 设计(按文献参数 + Jones 误差容差),是下一个首要器件。
  • 环形加热器为 2D 近似(偏乐观);MMI 2×2 的 0.9 dB 不平衡可再优化;监测抽头未单独仿真。
  • 可用 PSInverse 以纹理保真度为目标做逆向设计(消除三重畸变、提高圆偏振纯度)。
PhotonStack 工作流总结:PSMEME(FDE)给出环模式、C 线、谐振阶数和 pulley 相位匹配(亚秒级);PSMEME(EME)完成 MMI 与耦合器(秒到分钟级); PSField 给出热光执行器(亚秒级);PSFDTD 在单块 RTX 4090 上完成 6 次 2100 万单元的全波发射器仿真(共 3.1 h,GPU 与其他任务共享), 提供谐振、效率与远场拓扑——从文献调研到可流片的版图与验证方案全部在同一工具链内完成。