光子學器件的逆向設計方法和應用

人工設計的光子學器件在現(xiàn)代光學的各個領域都有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)光子學器件的設計通常是基于已知的物理模型，然后通過數(shù)值模擬方法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。由于器件結(jié)構(gòu)很大程度上依賴于先驗模型，所以傳統(tǒng)優(yōu)化設計的自由度是有限的。而隨著近年來對高性能光子學器件需求的日益增長，具有更高設計自由度的逆向設計方法得到了快速發(fā)展。逆向設計方法打破了傳統(tǒng)方法的設計局限性，可以在全參數(shù)空間中實現(xiàn)高效的參數(shù)優(yōu)化，因此更可能得到具有極限性能的器件結(jié)構(gòu)。

文章引用：洪鵬，胡瓏夏雨，周子昕，秦浩然，陳佳樂，范燁，殷同宇，寇君龍，陸延青. 光子學逆向設計研究進展（特邀）［J］.光子學報，2023，52（6）：0623001

論文概述

光子學器件通過物體與光的相互作用可以實現(xiàn)對光場多維度的調(diào)控，在現(xiàn)代光學的各個領域都有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)光子學器件的設計主要是基于已知的物理原理，然后通過對個別特征參數(shù)的微調(diào)以實現(xiàn)對光子學結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在優(yōu)化的過程中，結(jié)構(gòu)的幾何形狀及材料參數(shù)通常是由先驗模型所給定的，所以傳統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的維度是有限的。而隨著對高性能、多功能的納米光子學器件需求的日益增長，更高效、具有更高設計自由度的逆向設計方法得到了快速發(fā)展。

目前，應用最廣泛的逆向設計方法便是梯度下降算法，梯度下降算法利用目標函數(shù)對變量的梯度信息，可以實現(xiàn)對目標的快速迭代逼近。其中基于梯度的拓撲優(yōu)化算法已經(jīng)廣泛應用于各種光子學器件的設計，例如光子晶體、光纖、非線性光開關(guān)等。而對于梯度難以求解或不確定的問題，一般可采用遺傳算法或粒子群算法，這兩種算法分別通過模擬生物的進化進程和種群的覓食來尋找全局最優(yōu)解，所以無需梯度信息。近些年，隨著人工智能的快速發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的機器學習算法在各個科學領域備受關(guān)注。在光子學器件逆向設計中，神經(jīng)網(wǎng)絡模型已經(jīng)成功應用于各種器件的優(yōu)化設計，例如介質(zhì)超表面、濾波器、發(fā)光二極管等。與傳統(tǒng)的參數(shù)設計方法相比，逆向設計方法的設計參數(shù)更多，設計的自由度更大，因此逆向設計方法可以得到更加復雜多樣的器件結(jié)構(gòu)，設計出的器件性能上也更優(yōu)越。

本文對光子學器件的逆向設計方法和應用進行了分類匯總，分別介紹了基于梯度下降算法、遺傳算法、粒子群算法和神經(jīng)網(wǎng)絡模型的逆向設計方法，并且總結(jié)了逆向設計方法在各個光學領域中的新興應用，包括非線性光學、拓撲光子學、平面光學和納米光子學等。

圖2 拓撲優(yōu)化方法設計EP點的二維光子晶體

圖3 逆向設計多層超透鏡

圖4 商業(yè)硅光子學鑄造廠的光子學逆向設計工作流程

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科研團隊

南京大學寇君龍副教授、陸延青教授團隊依托南京大學電子科學與工程學院、集成電路學院、現(xiàn)代工程與應用科學學院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心。課題組的研究方向包括微納結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型半導體光電無源、有源器件、面向智能傳感系統(tǒng)的微納光子學傳感器件、系統(tǒng)應用研究等。團隊承擔多項國家和省部級科研創(chuàng)新項目。

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作者簡介

洪鵬

（共同第一作者）

洪鵬（共同第一作者），南京大學集成電路學院研究生，導師寇君龍教授。本科畢業(yè)于上海交通大學數(shù)學科學學院。主要研究方向為光子學器件的逆向設計。

胡瓏夏雨

（共同第一作者）

胡瓏夏雨（共同第一作者），南京大學電子科學與工程學院研究生，導師寇君龍教授。本科畢業(yè)于南京大學電子科學與工程學院。主要研究方向為微納結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型光電器件。

寇君龍

（通訊作者）

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寇君龍（通訊作者），南京大學副教授、博士生導師、紫金學者，博士畢業(yè)于加州理工學院。2021年入選國家級青年人才，曾獲江蘇省科學技術(shù)一等獎、南京大學青年五四獎章、中國光學學會“王大珩”高校學生光學獎、江蘇省優(yōu)秀碩士學位論文等。長期從事微納結(jié)構(gòu)調(diào)控的無源、有源光電材料及器件研究，器件主要用于光傳感、光通信、能源、汽車雷達、生物醫(yī)療等領域。

陸延青

（通訊作者）

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陸延青（通訊作者），南京大學副校長、長江學者特聘教授、國家杰出青年科學基金獲得者、中組部“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、教育部創(chuàng)新團隊帶頭人、美國光學學會會士、中國光學學會會士/常務理事、中國光學工程學會會士/常務理事、江蘇省“333 高層次人才培養(yǎng)工程”第一層次培養(yǎng)對象。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Physics Review Letters、Advanced Materials、Light：Science & Applications等刊物上發(fā)表論文三百余篇。申請專利 100 余項，其中授權(quán)專利 70余項。系列研究成果受到廣泛關(guān)注，多次入選期刊 Editor Pick、Top-cited，并被 Science Daily、Phys.org、Laser focus world、中國激光等主流科技媒體相繼報道。研究成果獲得《中國高等學校十大科技進展》、《中國基礎研究十大新聞》、國家自然科學獎一等獎、江蘇省科學技術(shù)一等獎、中國光學十大進展（2018 和 2019兩次），培養(yǎng)的學生曾獲中國光學學會王大珩高校學生光學獎（3 人）、江蘇省優(yōu)秀碩士學位論文和博士學位論文。

編輯：黃飛