近日，浙江大學(xué)李爾平、林宏?duì)c團(tuán)隊(duì)提出了一種新的“魯棒-逆向”設(shè)計(jì)方法，并首次實(shí)現(xiàn)中紅外超緊湊硫系光子器件。新的設(shè)計(jì)方法避免了傳統(tǒng)的中紅外光子學(xué)器件設(shè)計(jì)鐘一直依賴于基于直覺的缺陷，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)方法所面臨的對(duì)于工作條件和加工誤差敏感的低魯棒性劣勢(shì)。

中紅外集成光學(xué)器件在紅外成像、化學(xué)、生物傳感，光通信等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。而硫族化合物玻璃由于其極寬紅外透明度、極高的非線性系數(shù)，長(zhǎng)期以來一直被視為中紅外集成光子學(xué)的理想材料。傳統(tǒng)的中紅外硫系光子器件的設(shè)計(jì)依賴于規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，停留在經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的手工設(shè)計(jì)上。逆向設(shè)計(jì)能夠使用更復(fù)雜的優(yōu)化算法并自動(dòng)搜索結(jié)構(gòu)，雖然給器件的設(shè)計(jì)帶來革命性地便利，但是也受限于優(yōu)化時(shí)間過長(zhǎng)、局部最優(yōu)和低魯棒性的缺點(diǎn)。而隨著工作波長(zhǎng)的增加和折射率的降低，相比于近紅外的光學(xué)系統(tǒng)，硫系光子器件的發(fā)展受限于過大的器件尺寸和不完善的工藝體系。

近年來，逆向設(shè)計(jì)方法在納米光子學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，基于梯度的逆向設(shè)計(jì)方法雖然能夠顯著降低計(jì)算成本，但是由于優(yōu)化問題往往是高度非凸，器件設(shè)計(jì)面臨著局部最優(yōu)的困境，設(shè)計(jì)的結(jié)果往往對(duì)于加工和工作條件敏感。

浙江大學(xué)李爾平、林宏?duì)c研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將逆向設(shè)計(jì)和魯棒設(shè)計(jì)相融合，將加工誤差、工作條件變化以概率密度函數(shù)的形式具現(xiàn)。通過在優(yōu)化過程中引入擾動(dòng)，在保證與傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)方法幾乎相同優(yōu)化時(shí)間的前提下，將器件設(shè)計(jì)的魯棒性提升了十倍。

圖1. (a)“魯棒-逆向”設(shè)計(jì)算法流程圖；(b)”魯棒-逆向”設(shè)計(jì)算法（紅色區(qū)域）和逆向設(shè)計(jì)算法（藍(lán)色區(qū)域）的魯棒性分析對(duì)比圖；(c)不同加工誤差下魯棒-逆向設(shè)計(jì)算法和逆向設(shè)計(jì)算法的器件性能對(duì)比。

基于上述方法，該研究團(tuán)隊(duì)展示了四種不同功能的超緊湊的中紅外硫系光子器件：偏振分束器、波導(dǎo)偏振器、模式轉(zhuǎn)換器件和波分解復(fù)用器。對(duì)于偏振分束器，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了262 nm的寬帶特性（消光比大于20 dB，插損小于1dB）；對(duì)于波導(dǎo)偏振器件，團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)帶寬為147 nm，消光比25.86 dB的器件設(shè)計(jì)；還實(shí)現(xiàn)了一種帶寬為400nm的超寬度的中紅外模式轉(zhuǎn)換器件（插損小于1 dB）和一種連接近紅外和中紅外光波段的波分解復(fù)用器件（消光比大于20 dB；近紅外：374nm；中紅外：360 nm）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地證實(shí)了器件性能，同時(shí)也是上述該類型中紅外硫系逆向設(shè)計(jì)器件地首次實(shí)現(xiàn)。

圖2. 中紅外硫系光子器件結(jié)構(gòu)示意圖：(a)偏振分束器；(b) 波導(dǎo)偏振器；(c) 模式轉(zhuǎn)換器件；(d) 波分解復(fù)用器

該工作首次提出了一種“魯棒-逆向”設(shè)計(jì)方法，并實(shí)驗(yàn)展示多種不同功能的中紅外硫系光子學(xué)器件，不僅實(shí)現(xiàn)了極高的器件性能，同時(shí)保證了對(duì)于加工和材料誤差的高魯棒性，為中紅外硫系光子器件的發(fā)展提供了一條通用的路徑。此外，該方法適用于更多場(chǎng)景，有望在可重構(gòu)器件、非線性光學(xué)、光計(jì)算等領(lǐng)域帶來新的發(fā)展。

該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然基金等項(xiàng)目的資助。西湖大學(xué)李蘭研究員、北京大學(xué)胡小永教授、寧波大學(xué)戴世勛研究員等老師給予了該工作極大的支持。

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