导读

光子逆向设计的核心是根据给定的目标光学响应设计合适的光子结构，是近年来的热点研究领域之一。逆向设计方法利用人工智能算法来加速光学器件的设计和优化，可以实现功分器、波长解复用器、模式解复用器、偏振分束器、多模弯曲波导、光学模拟计算器等各类功能器件。然而，当前的逆向设计方法严重依赖于计算密集型电磁仿真或耗时的模型训练，这极大阻碍了光子逆向设计的发展及其实际应用。

为了解决逆向设计方法严重依赖于计算密集型电磁仿真或耗时的模型训练的问题，华中科技大学张新亮、董建绩教授团队提出了一种“传播即计算”的逆向设计方案，首次将传播即计算的概念用于光子逆向设计，实验演示了其在各种典型的单波长和多波长功能中的应用。近日，相关工作于2022年7月12日以 Photonic emulator for inverse design 为题，作为封底论文在线发表在《ACS Photonics》，成骏伟和张文凯为共同第一作者，董建绩教授和周海龙副教授担任共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北光谷实验室创新科研项目支持。

研究背景

逆向设计已成为高性能集成光子器件设计中广泛应用的有力工具。光子逆向设计的重点是寻找合适的具有目标光响应的光子结构，基于优化的方法已经广泛应用于光子逆向设计。然而，目前的逆向设计方法严重依赖于计算密集型的电磁仿真或耗时的模型训练。由于每次迭代都需要通过电磁模拟获得器件结构的光学响应，且随着目标函数的复杂性提高，迭代次数也显著增加，因此通常需要数天、甚至数月的时间才能得到满足设计要求的最终优化有效折射率分布。此外，一旦完成逆向设计，所制作的器件的功能就无法修改，最终器件的性能不可避免地会受到制造工艺误差、外部环境变化等不确定因素的影响。因此，如何高效地实现可重构的光子器件逆向设计，是一个很有挑战性的研究课题。

研究亮点

如图1所示，光子仿真器与电子仿真器的工作流程非常相似，不同之处在于获取光学响应的方式。电子仿真器通过电磁仿真获得光学响应，而光子仿真器通过真实的光传播获得光学响应。光子仿真器由基本的波导结构和许多可调像素单元（可以是金属电极、相变材料、二维材料等）组成。波导结构用于光传播，可调像素用于调整局部区域的有效折射率，从而影响光传播和光学响应，可以在光子仿真器的输出端口快速检测（光通过器件结构传播通常只需要几十皮秒，几乎是瞬时的）。此外，还可以修改设计目标，以便重新优化新的光学响应，从而实现可重构的光子仿真器。由于光子仿真器的光学响应可以直接通过光传播的实际物理过程获得，无需电磁仿真，自然避免了对计算资源的严重依赖。光子仿真器可以实现典型的逆向设计应用，其性能指标可与微电子硬件平台相媲美，同时迭代速度和能效比后者高出几个数量级。

图1. 用于逆向设计的电子仿真器和光子仿真器的概念图。

研究人员设计了用于原理验证的光子仿真器芯片，如图2所示。芯片设计区的每个加热器可视为一个独立的可优化像素区域。每个独立像素区域附近的局部温度可以通过调整施加到每个加热器的电压来精确控制。温度的变化会显着改变相应区域的局部有效折射率，从而改变光子模拟器芯片的功能。

图2. 光子仿真器的设计。(a)光子仿真器示意图。(b)光子仿真器芯片的显微镜图像。(c)封装芯片的整体照片。(d)施加特定电压时芯片的热分布。

研究人员使用光子仿真器芯片成功演示了多种典型的单波长和多波长器件和功能，如光学多进多出（MIMO）解扰器、矩阵计算、可调波长选择开关（WSS）等功能。光学MIMO解扰器可以分离出低串扰的混合信号，这是大容量光通信网络中的关键器件。研究人员使用该光子模拟器芯片成功实验演示了工作在10 Gbit/s调制速率下的光学MIMO解扰器。

图3. 用于三端口光MIMO解扰器的光子仿真器。(a)三端口光MIMO解扰器模型。(b)CF与训练迭代以及迭代次数等于20、50和150时输出端口3的相应眼图。(c)MIMO结构的归一化传输情况。(d)端口1、2和3的最终输出眼图。

此外，研究人员设计了光子仿真器的矩阵计算模型，其设计区域可以看作是一个“分束器”，将一束光分至三个输出端口，可以将任意3×3的正矩阵作为优化目标。

图4. 用于矩阵计算的光子仿真器。(a)光子模拟器的矩阵计算模型。(b)矩阵计算的误差统计。(c)和(d)是两种不同情况下的理论（浅蓝色条）和实验（深蓝色条）配置矩阵。

波分解复用器是用于分离不同波长信道的主要多波长器件，在基于波分复用(WDM)技术的光通信系统中发挥着重要作用。WSS不仅可以用于分离不同的波长通道，还可以根据需要自由切换其输入和输出端口。光子仿真器芯片通过优化可以实现波长可定制的波长解复用功能，且消光比超过10 dB。

图5. 用于可调WSS的光子仿真器。(a)和(d)是两种不同路由情况下的可调波长选择模型。(b)和(e)是三个不同波长在三个输出端口中的传输情况。(c)和(f)是三个输出端口从1540到1560 nm的光谱。

总结与展望

本工作提出了一种使用光传播代替电磁仿真的光子仿真器，这是一个专门用于光子器件逆向设计的硬件平台，通过实验演示了光子仿真器在各种典型的单波长和多波长器件和功能上的应用，例如光学MIMO解扰器、矩阵计算和可调WSS。通过向加热器施加可编程电压，可以精确调整光子仿真器设计区域中像素附近的有效折射率，从而可以对逆向设计的目标功能进行高精度重新配置。对于单波长器件的逆向设计，实现了任意路由状态的10 Gbit/s高速MIMO信号解扰和3×3任意正矩阵计算（百分比误差<2%）。针对多波长器件的逆向设计，实现了具有可切换输出端口和可定制波长的可调WSS，其消光比超过10 dB。此外，光子仿真器及其优化方法可以扩展到其他逆向设计情况，以实现更大规模、更多通道和更多功能。光子仿真器打破了基于微电子硬件的电磁仿真思维定式，首次将传播即计算的概念引入该领域，为高速低能逆向设计开辟了全新的途径，未来可能实现更高性能的集成光子器件设计。

论文信息

Junwei Cheng, Wenkai Zhang, Wentao Gu, Hailong Zhou Jianji Dong, and Xinliang Zhang. Photonic Emulator for Inverse Design. ACS Photonics, 2022.

DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00716