Az információk és adatok robbanásszerű növekedésével a fotonikus integrált áramkörök és chipek magasabb követelményeket támasztanak az ultragyors válaszidő, az ultrakis méret, az ultraalacsony energiaküszöb és a nagy integrációs sűrűség tekintetében. A fotonikus integrált áramkör mikro/nano szerkezetből áll, és az elektron helyett fotont használ információhordozóként. A Neumann-szerű struktúrákon alapuló hagyományos fotonikus integrált áramkörök főként szabályos vagy periodikus szerkezeteket használnak, mint például mikrogyűrűs rezonátorok, fotonikus kristályok (PC), felületi plazmon polaritonok (SPP-k) és metaanyagok stb. Az ilyen dielektromos szerkezetek általában nagy méretűek, ami miatt az áramkör teljes mérete nagy, általában eléri a több száz mikront. Bár az SPP áramkörök mérete kicsi, hatalmas átviteli veszteségük még mindig óriási nehézséget jelent az alacsony energiafogyasztás megvalósításának korlátozásában. Az összetett funkciók megvalósításához a hagyományos eszközök általában nemlineáris anyagokat alkalmaznak. Az ultragyors válasz és a nemlineáris anyagok nagy nemlineáris együtthatója közötti ellentmondás azonban az ultragyors válasz és az ultraalacsony energiafogyasztás közötti ellentmondáshoz vezet. Mostanáig még mindig óriási kihívást jelent egy integrált fotonikus áramkör megvalósítása, amely nagy teljesítményű, ultranagy sűrűségű integrációval, ultragyors reakcióval és rendkívül alacsony energiafogyasztással rendelkezik.
Hagyományosan a mikro/nano-eszközök tervezése főként véges különbség időtartományos módszeren (FDTD) és végeselem módszeren (FEM) alapul a maxwell-egyenletek megoldásán keresztül, de a módszerek általában hosszú folyamatot foglalnak magukban, ismételt számításokon keresztül a szerkezeti paraméterek optimalizálása érdekében. a nanostruktúrák paramétereinek manuális beállításával, mint például a hullámvezetők szélessége, a léglyukak átmérője és a mikrogyűrűk mérete stb. Inverz tervezési módszer, algoritmus technikával ismeretlen optikai struktúrák kiszámítására vagy ismert struktúrák optimalizálására a elvárt funkcionális jellemzőit, alkalmasabb optikai mikro/nano-struktúrák tervezésére és optimalizálására. Az inverz tervezési módszerrel optimalizálható egyetlen eszköz teljesítménye, vagy gazdagítható az egész áramkör funkciója, például nagy teljesítményű rácscsatolók, hullámhossz-demultiplexer, teljesítményosztó, polarizációs nyalábelosztó stb. Az inverz tervezési módszer alkalmasabb a fotonikus integrált áramkörök tervezése és optimalizálása, és várhatóan áttöri a chipen belüli információfeldolgozási képesség szűk keresztmetszetét.
A cikk szerzői egy inverz tervezési módszeren alapuló megközelítést javasoltak és kísérletileg demonstráltak egy nagy sűrűségű, ultragyors és ultraalacsony energiafogyasztású integrált fotonikus áramkör megvalósítására. A kutatócsoport továbbfejlesztette az inverz tervezési algoritmust, hogy megfeleljen a teljes áramkör teljesítményének optimalizálása iránti igénynek. Az algoritmus előnye az adjungált mezőeloszlás megléte volt. Az adjunkt módszernél a gradiens süllyedési iránya mentén a "csepp egy lépést" dielektromos állandóra volt szükség, a gradienst a célfüggvény szerint számítottuk, a dielektromos állandót pedig a gradiens iránya mentén iteráltuk.
Az áramkör három eszközből állt, két teljesen optikai kapcsolóval, amelyek egy XOR logikai kapu bemeneti állapotait vezérlik. A teljes áramkör jellemző mérete mindössze 2,5 μm × 7 μm, egyetlen eszközé pedig 2 μm × 2 μm. A két szomszédos eszköz közötti távolság 1,5 μm volt, a hullámhossz magnitúdós skálán belül. Az inverz tervezésű rendezetlen nanostruktúrák szóródásával a jelfény módus téreloszlása megváltozott. Amikor a jelzőfény bemenet, át tud továbbítani a rendezetlen nanostruktúrákon. A vezérlőlámpa bemenetekor két lámpa üzemmódmezője koherensen átfedi egymást, ami megváltoztatta a jelzőfény és az ellenőrzőlámpa üzemmód téreloszlását, így a jelzőfény nem tud átjutni a rendezetlen nanostruktúrákon. Az inverz kialakítású teljesen optikai kapcsoló elméleti válaszideje 100 fs volt, a vezérlőfény küszöbenergiája 10 fJ/bit, ami megegyezik a teljesen optikai kapcsoló jelzőfényével. A logikai kapu válaszideje 20 fs volt. A kutatócsoport az áthallás problémáját is végiggondolta az integrált áramkör teljes optimalizálási folyamatán keresztül. Az áramkör nemcsak három eszközt integrált, hanem megvalósította a kétjegyű logikai jelek azonosításának funkcióját is. Ez a munka új ötletet ad az ultragyors, ultraalacsony energiafogyasztású és ultra-nagy sűrűségű integrált fotonikus áramkör tervezéséhez.
