مع النمو الهائل للمعلومات والبيانات ، تتمتع الدوائر والرقائق الضوئية المتكاملة بمتطلبات أعلى لوقت استجابة فائق السرعة ، وحجم صغير للغاية ، وعتبة طاقة منخفضة للغاية ، وكثافة تكامل عالية. تتكون الدائرة المتكاملة الضوئية من بنية متناهية الصغر / نانو وتستخدم الفوتون بدلاً من الإلكترون كحامل للمعلومات. تستخدم الدوائر المتكاملة الضوئية التقليدية القائمة على هياكل مثل فون نيومان بشكل أساسي هياكل منتظمة أو دورية ، مثل رنانات الحلقة الدقيقة ، والبلورات الضوئية (PC) ، وقطارات البلازمون السطحية (SPPs) والمواد الخارقة ، وما إلى ذلك ، وعادة ما تحتاج هذه الهياكل العازلة للكهرباء إلى حجم كبير ، مما يجعل الحجم الكلي للدائرة كبيرًا ، وعادة ما يصل إلى مئات الميكرونات. على الرغم من أن حجم دوائر SPPs صغير ، إلا أن فقدها الهائل في الإرسال لا يزال يمثل صعوبة هائلة للحد من تحقيق انخفاض استهلاك الطاقة. لتحقيق وظائف معقدة ، عادة ما تعتمد الأجهزة التقليدية مواد غير خطية. ومع ذلك ، فإن التناقض بين الاستجابة فائقة السرعة والمعامل غير الخطي الكبير للمواد غير الخطية يؤدي إلى التناقض بين الاستجابة فائقة السرعة والاستهلاك المنخفض للغاية للطاقة. حتى الآن ، لا يزال تحقيق دائرة ضوئية متكاملة ذات أداء عالٍ من تكامل الكثافة الفائقة واستجابة فائقة السرعة واستهلاك طاقة منخفض للغاية يمثل تحديًا كبيرًا.
تقليديًا ، تعتمد تصميمات الأجهزة الدقيقة / النانوية بشكل أساسي على طريقة المجال الزمني للفرق المحدود (FDTD) وطريقة العناصر المحدودة (FEM) من خلال حل معادلات ماكسويل ، ولكن الأساليب عادةً ما تتضمن عملية طويلة من خلال الحساب المتكرر لتحسين المعلمات الهيكلية عن طريق ضبط معلمات الهياكل النانوية يدويًا ، مثل عرض موجهات الموجات ، وقطر ثقوب الهواء وحجم الحلقات الدقيقة ، وما إلى ذلك. طريقة التصميم العكسي ، باستخدام تقنية الخوارزمية لحساب الهياكل البصرية غير المعروفة أو تحسين الهياكل المعروفة بناءً على الخصائص الوظيفية المتوقعة ، أكثر ملاءمة لتصميم وتحسين الهياكل الدقيقة / النانوية الضوئية. يمكن لطريقة التصميم العكسي تحسين أداء جهاز واحد أو إثراء وظيفة الدائرة بأكملها ، مثل المقرنات الشبكية عالية الأداء ، ومزيل تعدد الطول الموجي ، وموزع الطاقة ، وموزع حزمة الاستقطاب ، وما إلى ذلك. تصميم وتحسين الدوائر الضوئية المتكاملة ومن المتوقع أن يخترق عنق الزجاجة لقدرة معالجة المعلومات على الرقاقة.
اقترح مؤلفو هذه الورقة وأظهروا بشكل تجريبي نهجًا يعتمد على طريقة التصميم العكسي لتحقيق دائرة ضوئية متكاملة عالية الكثافة وفائقة السرعة ومنخفضة جدًا للطاقة. قامت مجموعة البحث بتحسين خوارزمية التصميم العكسي لتلبية الطلب على تحسين أداء الدائرة بأكملها. كانت ميزة الخوارزمية هي وجود توزيع المجال المجاور. تتطلب الطريقة المرافقة ثابت العزل الكهربائي "إسقاط خطوة واحدة" على طول اتجاه نزول التدرج ، وتم حساب التدرج وفقًا للوظيفة الموضوعية ، وتم تكرار ثابت العزل الكهربائي على طول اتجاه التدرج.
تتكون الدائرة من ثلاثة أجهزة مع مفتاحين بصريين يتحكمان في حالات الإدخال لبوابة منطقية XOR. كان حجم ميزة الدائرة بأكملها 2.5 ميكرومتر × 7 ميكرومتر فقط ، وكان حجم جهاز واحد 2 ميكرومتر × 2 ميكرومتر. كانت المسافة بين جهازين متجاورين صغيرة مثل 1.5 ميكرومتر ، ضمن مقياس حجم الطول الموجي. من خلال تشتت الهياكل النانوية المضطربة ذات التصميم العكسي ، تم تغيير توزيع حقل النمط لضوء الإشارة. عند إدخال ضوء الإشارة ، يمكن أن ينتقل من خلال الهياكل النانوية المضطربة. عند إدخال ضوء التحكم ، يتراكب حقل وضع مصباحين بشكل متماسك ، مما أدى إلى تغيير توزيع حقل الوضع لضوء الإشارة وضوء التحكم ، وبالتالي لا يمكن أن ينتقل ضوء الإشارة من خلال الهياكل النانوية المضطربة. كان وقت الاستجابة النظري للمفتاح الضوئي بالكامل ذو التصميم العكسي 100 fs ، وكانت طاقة عتبة ضوء التحكم 10 fJ / bit ، أي ما يعادل ضوء الإشارة للمفتاح الضوئي بالكامل. كان زمن استجابة البوابة المنطقية 20 fs. نظرت مجموعة البحث أيضًا في مشكلة الحديث المتبادل من خلال عملية التحسين الكاملة للدائرة المتكاملة. لم تدمج الدائرة ثلاثة أجهزة فحسب ، بل أدركت أيضًا وظيفة تحديد نتائج الإشارات المنطقية المكونة من رقمين. يوفر هذا العمل فكرة جديدة لتصميم استهلاك طاقة فائق السرعة ومنخفض للغاية ودائرة فوتونية متكاملة عالية الكثافة.
