S eksplozivnim rastom informacija i podataka, fotonski integrirani krugovi i čipovi imaju veće zahtjeve za ultra-brzo vrijeme odziva, ultra-malu veličinu, ultra-niski energetski prag i visoku gustoću integracije. Fotonski integrirani krug sastoji se od mikro/nano strukture i koristi foton umjesto elektrona kao nositelja informacija. Tradicionalni fotonski integrirani krugovi koji se temelje na von Neumann sličnim strukturama uglavnom koriste regularne ili periodične strukture, kao što su mikroprstenasti rezonatori, fotonski kristali (PC), površinski plazmonski polaritoni (SPP) i metamaterijali, itd. Takve dielektrične strukture obično trebaju veliku veličinu, što uzrokuje veliku ukupnu veličinu kruga, obično doseže stotine mikrona. Iako je veličina krugova SPP-a mala, njihov veliki gubitak u prijenosu još uvijek predstavlja ogromnu poteškoću za ograničavanje ostvarenja niske potrošnje energije. Za realizaciju složenih funkcija, tradicionalni uređaji obično koriste nelinearni materijal. Međutim, kontradikcija između ultrabrzog odziva i velikog nelinearnog koeficijenta nelinearnih materijala dovodi do kontradikcije između ultrabrzog odziva i ultraniske potrošnje energije. Do sada je još uvijek veliki izazov ostvariti integrirani fotonski krug s visokim performansama integracije ultravisoke gustoće, ultrabrzim odzivom i ultra-niskom potrošnjom energije.
Tradicionalno, dizajni mikro/nano-uređaja uglavnom se temelje na metodi vremenske domene konačne razlike (FDTD) i metodi konačnih elemenata (FEM) kroz rješavanje Maxwellovih jednadžbi, ali metode obično uključuju dug proces kroz ponovljene proračune za optimizaciju strukturnih parametara ručnim podešavanjem parametara nanostruktura, kao što su širina valovoda, promjer zračnih otvora i veličina mikroprstenova, itd. Metoda inverznog dizajna, korištenje algoritamske tehnike za izračun nepoznatih optičkih struktura ili optimizaciju poznatih struktura na temelju očekivanih funkcionalnih karakteristika, prikladniji je za dizajn i optimizaciju optičkih mikro/nanostruktura. Metoda obrnutog dizajna može optimizirati izvedbu jednog uređaja ili obogatiti funkciju cijelog kruga, kao što su rešetkasti spojnici visokih performansi, demultipleksor valne duljine, razdjelnik snage, razdjelnik polarizacijske zrake itd. Metoda obrnutog dizajna prikladnija je za dizajn i optimizacija fotonskih integriranih sklopova i očekuje se da će probiti usko grlo mogućnosti obrade informacija na čipu.
Autori ovog rada predložili su i eksperimentalno demonstrirali pristup koji se temelji na metodi inverznog dizajna za realizaciju integriranog fotonskog kruga visoke gustoće, ultrabrze i ultra niske potrošnje energije. Istraživačka skupina poboljšala je algoritam inverznog dizajna kako bi zadovoljila zahtjeve za optimizacijom performansi cijelog kruga. Prednost algoritma je postojanje adjungirane distribucije polja. Pridružena metoda zahtijevala je dielektričnu konstantu "pad za jedan korak" duž smjera pada gradijenta, gradijent je izračunat prema funkciji cilja, a dielektrična konstanta je ponavljana duž smjera gradijenta.
Krug se sastoji od tri uređaja s dva potpuno optička prekidača koji kontroliraju ulazna stanja XOR logičkih vrata. Veličina značajke cijelog kruga bila je samo 2,5 μm × 7 μm, a veličina jednog uređaja bila je 2 μm × 2 μm. Udaljenost između dva susjedna uređaja bila je samo 1,5 μm, unutar skale magnitude valne duljine. Kroz raspršenje neuređenih nanostruktura inverznog dizajna, modna distribucija polja signalnog svjetla je promijenjena. Kada se signal unese, svjetlo se može prenositi kroz neuređene nanostrukture. Prilikom ulaza kontrolnog svjetla, polje moda dvaju svjetala koherentno se preklapa, što je promijenilo distribuciju polja moda signalnog svjetla i kontrolnog svjetla, tako da se signalno svjetlo ne može prenositi kroz neuređene nanostrukture. Teoretsko vrijeme odziva potpuno optičkog prekidača inverznog dizajna bilo je 100 fs, a prag energije kontrolnog svjetla bio je 10 fJ/bit, jednako signalnom svjetlu za potpuno optički prekidač. Vrijeme odziva logičkih vrata bilo je 20 fs. Istraživačka skupina također je razmatrala problem preslušavanja kroz cijeli proces optimizacije integriranog kruga. Sklop nije samo integrirao tri uređaja, već je također ostvario funkciju identificiranja dvoznamenkastih rezultata logičkog signala. Ovaj rad daje novu ideju za dizajn ultrabrzog integriranog fotonskog kruga ultra-niske potrošnje energije i ultra-visoke gustoće.
