Με την εκρηκτική αύξηση των πληροφοριών και των δεδομένων, τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα και τα τσιπ έχουν υψηλότερες απαιτήσεις για εξαιρετικά γρήγορο χρόνο απόκρισης, εξαιρετικά μικρό μέγεθος, εξαιρετικά χαμηλό όριο ενέργειας και υψηλή πυκνότητα ολοκλήρωσης. Το φωτονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα αποτελείται από μικρο/νανοδομή και χρησιμοποιεί φωτόνιο αντί για ηλεκτρόνιο ως φορέα πληροφοριών. Τα παραδοσιακά φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα που βασίζονται σε δομές όπως ο von Neumann χρησιμοποιούν κυρίως κανονικές ή περιοδικές δομές, όπως συντονιστές μικροδακτυλίων, φωτονικούς κρυστάλλους (PC), πολάριτονες επιφανειακών πλασμονίων (SPPs) και μεταϋλικά κ.λπ. Τέτοιες διηλεκτρικές δομές συνήθως χρειάζονται μεγάλο μέγεθος. προκαλώντας το συνολικό μέγεθος του κυκλώματος μεγάλο, συνήθως φτάνει τα εκατοντάδες μικρά. Αν και το μέγεθος των κυκλωμάτων SPP είναι μικρό, η τεράστια απώλεια μετάδοσης εξακολουθεί να είναι μια τεράστια δυσκολία για τον περιορισμό της πραγματοποίησης χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Για την υλοποίηση πολύπλοκων συναρτήσεων, οι παραδοσιακές συσκευές συνήθως υιοθετούν μη γραμμικό υλικό. Ωστόσο, η αντίφαση μεταξύ της υπερταχείας απόκρισης και του μεγάλου μη γραμμικού συντελεστή των μη γραμμικών υλικών οδηγεί στην αντίφαση μεταξύ της υπερταχείας απόκρισης και της εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Μέχρι τώρα, εξακολουθεί να είναι μια τεράστια πρόκληση η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου φωτονικού κυκλώματος με υψηλή απόδοση ολοκλήρωσης εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας, εξαιρετικά γρήγορη απόκριση και εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Παραδοσιακά, τα σχέδια μικρο/νανο-συσκευών βασίζονται κυρίως στη μέθοδο πεδίου χρόνου πεπερασμένης διαφοράς (FDTD) και στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) μέσω της επίλυσης των εξισώσεων του maxwell, αλλά οι μέθοδοι συνήθως περιλαμβάνουν μια μακρά διαδικασία μέσω επαναλαμβανόμενων υπολογισμών για τη βελτιστοποίηση των δομικών παραμέτρων. με μη αυτόματη προσαρμογή των παραμέτρων των νανοδομών, όπως το πλάτος των κυματοδηγών, η διάμετρος των οπών αέρα και το μέγεθος των μικροδακτυλίων κ.λπ. Μέθοδος αντίστροφης σχεδίασης, χρησιμοποιώντας τεχνική αλγορίθμου για τον υπολογισμό άγνωστων οπτικών δομών ή τη βελτιστοποίηση γνωστών δομών με βάση αναμενόμενα λειτουργικά χαρακτηριστικά, είναι πιο κατάλληλο για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση οπτικών μικρο/νανοδομών. Η μέθοδος αντίστροφης σχεδίασης μπορεί να βελτιστοποιήσει την απόδοση μιας μεμονωμένης συσκευής ή να εμπλουτίσει τη λειτουργία ολόκληρου του κυκλώματος, όπως συζευκτήρες πλέγματος υψηλής απόδοσης, αποπολυπλέκτης μήκους κύματος, διαχωριστής ισχύος, διαχωριστής δέσμης πόλωσης κ.λπ. Η μέθοδος αντίστροφης σχεδίασης είναι πιο κατάλληλη για σχεδιασμός και βελτιστοποίηση των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και αναμένεται να ξεπεράσει το σημείο συμφόρησης της ικανότητας επεξεργασίας πληροφοριών στο chip.
Οι συγγραφείς αυτής της εργασίας πρότειναν και απέδειξαν πειραματικά μια προσέγγιση που βασίζεται στη μέθοδο αντίστροφου σχεδιασμού για την υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου φωτονικού κυκλώματος υψηλής πυκνότητας, εξαιρετικά γρήγορου και εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η ερευνητική ομάδα βελτίωσε τον αλγόριθμο αντίστροφης σχεδίασης για να καλύψει την απαίτηση βελτιστοποίησης της απόδοσης ολόκληρου του κυκλώματος. Το πλεονέκτημα του αλγορίθμου ήταν η ύπαρξη γειτονικής κατανομής πεδίου. Η πρόσθετη μέθοδος απαιτούσε τη διηλεκτρική σταθερά "πτώση ένα βήμα" κατά μήκος της κατεύθυνσης καθόδου της κλίσης, η κλίση υπολογίστηκε σύμφωνα με την αντικειμενική συνάρτηση και η διηλεκτρική σταθερά επαναλήφθηκε κατά μήκος της διεύθυνσης κλίσης.
Το κύκλωμα αποτελούσε τρεις συσκευές με δύο πλήρως οπτικούς διακόπτες που έλεγχαν τις καταστάσεις εισόδου μιας λογικής πύλης XOR. Το μέγεθος του χαρακτηριστικού ολόκληρου του κυκλώματος ήταν μόνο 2,5 μm×7 μm και αυτό μιας μεμονωμένης συσκευής ήταν 2 μm×2 μm. Η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών συσκευών ήταν τόσο μικρή όσο 1,5 μm, εντός της κλίμακας μεγέθους μήκους κύματος. Μέσω της σκέδασης των διαταραγμένων νανοδομών αντίστροφου σχεδιασμού, άλλαξε η κατανομή του πεδίου λειτουργίας του φωτός σήματος. Όταν εισέρχεται το φως του σήματος, μπορεί να μεταδοθεί μέσω των διαταραγμένων νανοδομών. Όταν εισέρχεται η λυχνία ελέγχου, το πεδίο λειτουργίας δύο φώτων επικαλύπτεται με συνέπεια, γεγονός που άλλαξε την κατανομή του πεδίου λειτουργίας του φωτός σήματος και του φωτός ελέγχου, επομένως το φως σήματος δεν μπορεί να μεταδοθεί μέσω των διαταραγμένων νανοδομών. Ο θεωρητικός χρόνος απόκρισης του πλήρως οπτικού διακόπτη αντίστροφης σχεδίασης ήταν 100 fs και η οριακή ενέργεια του φωτός ελέγχου ήταν 10 fJ/bit, ίση με το φως σήματος για τον πλήρως οπτικό διακόπτη. Ο χρόνος απόκρισης της λογικής πύλης ήταν 20 fs. Η ερευνητική ομάδα εξέτασε επίσης το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης μέσω της όλης διαδικασίας βελτιστοποίησης του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το κύκλωμα όχι μόνο ενσωμάτωσε τρεις συσκευές αλλά πραγματοποίησε επίσης μια λειτουργία αναγνώρισης αποτελεσμάτων διψήφιου λογικού σήματος. Αυτή η εργασία παρέχει μια νέα ιδέα για το σχεδιασμό ενός ολοκληρωμένου φωτονικού κυκλώματος εξαιρετικά γρήγορου, εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας.
