人工設(shè)計的光子學(xué)器件在現(xiàn)代光學(xué)的各個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)光子學(xué)器件的設(shè)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。由于器件結(jié)構(gòu)很大程度上依賴于先驗?zāi)Ｐ停詡鹘y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的自由度是有限的。而隨著近年來對高性能光子學(xué)器件需求的日益增長，具有更高設(shè)計自由度的逆向設(shè)計方法得到了快速發(fā)展。逆向設(shè)計方法打破了傳統(tǒng)方法的設(shè)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(xué)逆向設(shè)計研究進(jìn)展（特邀）［J］.光子學(xué)報，2023，52（6）：0623001
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論文概述
光子學(xué)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(xué)的各個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)光子學(xué)器件的設(shè)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(xué)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?zāi)Ｐ退o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(xué)器件需求的日益增長，更高效、具有更高設(shè)計自由度的逆向設(shè)計方法得到了快速發(fā)展。
目前，應(yīng)用最廣泛的逆向設(shè)計方法便是梯度下降算法，梯度下降算法利用目標(biāo)函數(shù)對變量的梯度信息，可以實現(xiàn)對目標(biāo)的快速迭代逼近。其中基于梯度的拓?fù)鋬?yōu)化算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種光子學(xué)器件的設(shè)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(jìn)化進(jìn)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(luò)的機器學(xué)習(xí)算法在各個科學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。在光子學(xué)器件逆向設(shè)計中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)成功應(yīng)用于各種器件的優(yōu)化設(shè)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(shè)計方法相比，逆向設(shè)計方法的設(shè)計參數(shù)更多，設(shè)計的自由度更大，因此逆向設(shè)計方法可以得到更加復(fù)雜多樣的器件結(jié)構(gòu)，設(shè)計出的器件性能上也更優(yōu)越。
圖1 基于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的光計算器概念圖
本文對光子學(xué)器件的逆向設(shè)計方法和應(yīng)用進(jìn)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(luò)模型的逆向設(shè)計方法，并且總結(jié)了逆向設(shè)計方法在各個光學(xué)領(lǐng)域中的新興應(yīng)用，包括非線性光學(xué)、拓?fù)涔庾訉W(xué)、平面光學(xué)和納米光子學(xué)等。
圖2 拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計EP點的二維光子晶體
圖3 逆向設(shè)計多層超透鏡
圖4 商業(yè)硅光子學(xué)鑄造廠的光子學(xué)逆向設(shè)計工作流程
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科研團隊
南京大學(xué)寇君龍副教授、陸延青教授團隊依托南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、集成電路學(xué)院、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(xué)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(dǎo)體光電無源、有源器件、面向智能傳感系統(tǒng)的微納光子學(xué)傳感器件、系統(tǒng)應(yīng)用研究等。團隊承擔(dān)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(xué)集成電路學(xué)院研究生，導(dǎo)師寇君龍教授。本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院。主要研究方向為光子學(xué)器件的逆向設(shè)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(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院研究生，導(dǎo)師寇君龍教授。本科畢業(yè)于南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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）
寇君龍（通訊作者），南京大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師、紫金學(xué)者，博士畢業(yè)于加州理工學(xué)院。2021年入選國家級青年人才，曾獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎、南京大學(xué)青年五四獎?wù)隆⒅袊鈱W(xué)學(xué)會“王大珩”高校學(xué)生光學(xué)獎、江蘇省優(yōu)秀碩士學(xué)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?yán)走_(dá)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。
陸延青
（通訊作者）
陸延青（通訊作者），南京大學(xué)副校長、長江學(xué)者特聘教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、中組部“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、教育部創(chuàng)新團隊帶頭人、美國光學(xué)學(xué)會會士、中國光學(xué)學(xué)會會士/常務(wù)理事、中國光學(xué)工程學(xué)會會士/常務(wù)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(xué)校十大科技進(jìn)展》、《中國基礎(chǔ)研究十大新聞》、國家自然科學(xué)獎一等獎、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎、中國光學(xué)十大進(jìn)展（2018 和 2019兩次），培養(yǎng)的學(xué)生曾獲中國光學(xué)學(xué)會王大珩高校學(xué)生光學(xué)獎（3 人）、江蘇省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文和博士學(xué)位論文。
