Met de explosieve groei van informatie en data stellen fotonische geïntegreerde schakelingen en chips hogere eisen aan ultrasnelle responstijd, ultraklein formaat, ultralage energiedrempel en hoge integratiedichtheid. De fotonische geïntegreerde schakeling is samengesteld uit micro/nano-structuur en gebruikt foton in plaats van elektron als informatiedrager. Traditionele fotonische geïntegreerde schakelingen gebaseerd op von Neumann-achtige structuren maken voornamelijk gebruik van regelmatige of periodieke structuren, zoals microringresonatoren, fotonische kristallen (PC), oppervlakte-plasmonpolaritons (SPP's) en metamaterialen, enz. Dergelijke diëlektrische structuren hebben meestal een groot formaat nodig, waardoor de totale grootte van het circuit groot is, bereikt meestal honderden microns. Hoewel de omvang van SPP-circuits klein is, vormt hun enorme transmissieverlies nog steeds een enorme moeilijkheid om de realisatie van een laag energieverbruik te beperken. Om complexe functies te realiseren, gebruiken traditionele apparaten meestal niet-lineair materiaal. De tegenstelling tussen de ultrasnelle respons en de grote niet-lineaire coëfficiënt van niet-lineaire materialen leidt echter tot de tegenstelling tussen ultrasnelle respons en ultralaag energieverbruik. Tot nu toe is het nog steeds een enorme uitdaging om een geïntegreerd fotonisch circuit te realiseren met hoge prestaties van integratie met ultrahoge dichtheid, ultrasnelle respons en ultralaag energieverbruik.
Traditioneel zijn de ontwerpen van micro-/nano-apparaten voornamelijk gebaseerd op de eindige-verschil-tijddomeinmethode (FDTD) en de eindige-elementenmethode (FEM) door de maxwell-vergelijkingen op te lossen, maar de methoden omvatten meestal een lang proces door herhaalde berekeningen om structurele parameters te optimaliseren. door handmatig de parameters van nanostructuren aan te passen, zoals de breedte van de golfgeleiders, de diameter van luchtgaten en de grootte van de microringen, enz. Inverse ontwerpmethode, met behulp van algoritmetechniek om onbekende optische structuren te berekenen of bekende structuren te optimaliseren op basis van verwachte functionele kenmerken, is geschikter voor het ontwerp en de optimalisatie van optische micro-/nanostructuren. De omgekeerde ontwerpmethode kan de prestaties van een enkel apparaat optimaliseren of de functie van het hele circuit verrijken, zoals krachtige roosterkoppelingen, golflengtedemultiplexer, vermogenssplitser, polarisatiestraalsplitser, enz. De omgekeerde ontwerpmethode is meer geschikt voor de ontwerp en optimalisatie van fotonische geïntegreerde schakelingen en zal naar verwachting het knelpunt van on-chip informatieverwerkingscapaciteit doorbreken.
De auteurs van dit artikel hebben een benadering voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd op basis van een omgekeerde ontwerpmethode om een geïntegreerd fotonisch circuit met hoge dichtheid, ultrasnel en ultralaag energieverbruik te realiseren. De onderzoeksgroep verbeterde het inverse ontwerpalgoritme om te voldoen aan de vraag om de prestaties van het hele circuit te optimaliseren. Het voordeel van het algoritme was het bestaan van adjunct-velddistributie. De adjunct-methode vereiste de diëlektrische constante "één stap laten vallen" langs de gradiëntafdalingsrichting, de gradiënt werd berekend volgens de objectieve functie en de diëlektrische constante werd herhaald langs de gradiëntrichting.
Het circuit bestond uit drie apparaten met twee volledig optische schakelaars die de ingangsstatussen van een XOR-logische poort besturen. De kenmerkgrootte van het hele circuit was slechts 2,5 μm × 7 μm, en die van een enkel apparaat was 2 μm × 2 μm. De afstand tussen twee aangrenzende apparaten was zo klein als 1,5 μm, binnen de golflengte-magnitudeschaal. Door de verstrooiing van de ongeordende nanostructuren met omgekeerd ontwerp, werd de modusveldverdeling van signaallicht veranderd. Wanneer het signaallicht wordt ingevoerd, kan het door de ongeordende nanostructuren worden verzonden. Wanneer het controlelicht wordt ingevoerd, overlapt het modusveld van twee lichten coherent, wat de modusveldverdeling van het signaallicht en het controlelicht veranderde, dus het signaallicht kan niet door de ongeordende nanostructuren worden overgedragen. De theoretische responstijd van de volledig optische schakelaar met omgekeerd ontwerp was 100 fs en de drempelenergie van het controlelampje was 10 fJ/bit, gelijk aan het signaallampje voor de volledig optische schakelaar. De reactietijd van de logische poort was 20 fs. De onderzoeksgroep hield zich ook bezig met het overspraakprobleem tijdens het hele optimalisatieproces van de geïntegreerde schakeling. Het circuit integreerde niet alleen drie apparaten, maar realiseerde ook een functie van het identificeren van tweecijferige logische signaalresultaten. Dit werk biedt een nieuw idee voor het ontwerp van een ultrasnel, ultralaag energieverbruik en ultrahoge dichtheid geïntegreerd fotonisch circuit.
