Realization of advanced passive silicon photonic devices with subwavelength-grating structures developed by efficient inverse design
实现超小型无源硅光子器件对于未来大规模光子集成系统的发展具有重要意义。虽然一些紧凑的硅光子器件已经被证明是通过使用反向设计，器件性能仍然不足以用于实际应用。在这里，我们提出并实现了几个代表性的超紧凑先进的无源硅光子器件与体面的性能，通过引入亚波长光栅（SWG）结构，我们的高效逆向设计方法开发。这些器件的设计是通过优化操纵多模激励和多模干涉在一个区域内定义的SWG结构。这些具有良好的特征尺寸均匀性的SWG结构比以前反向设计的光子器件中使用的那些随机纳米结构更易于制造。我们的逆设计方法的高效率是由于一种新的搜索空间维控制策略和有效的面向问题的电磁场求解器可用于SWG结构。具体地说，我们给出了6通道模（解）复用器、宽带90°混合器和两通道平顶波长解复用器的实现，这些都是以前报道的逆向设计方法难以实现的。这些设备表现出超紧凑的足迹，以及体面的性能相比，由经典理论开发的同行。
2022-12-02 physics.optics
Augmenting On-Chip Microresonator through Photonic Inverse Design
片上光学微谐振器的设计和制造的最新进展极大地扩展了它们在光子学中的应用，使计量、通信和片上激光器成为可能。这些应用的设计需要对色散、带宽和高光学品质因数进行精细控制。由于设计策略在很大程度上限于横截面几何形状的分析调整，因此这些品质因数的协同设计仍然是一个重大的技术挑战。在这里，我们表明，光子逆设计促进和扩展的功能，片上微谐振器，理论和实验证明灵活的色散工程，品质因数超过200万的绝缘体上硅平台与单模操作，和选择性的波长带操作。
2021-09-15 physics.optics
Photoluminescence modification by high-order photonic band with abnormal dispersion in ZnO inverse opal
我们测量了ZnO反蛋白石的角度和偏振分辨反射和光致发光光谱。观察到自发发射的显著增强。增强后的发光不仅具有良好的方向性，而且可以实现线偏振。详细的理论分析和数值模拟表明，这种增强是由高阶光子带的反常色散引起的。在色散曲线的稳定拐点处的冻结模可以强烈地改变自发发射的强度、方向性和偏振。
2008-01-18 physics.optics
Laser-written scalable sapphire integrated photonics platform
本文利用自适应光学辅助飞秒激光直写技术在蓝宝石衬底上制造了低损耗、偏振无关的单模光子器件，实现了可扩展集成，适用于通信、成像、计算和传感等领域。
2024-09-19 physics.optics
Accelerated inverse design of passive Si Photonics
本文提出基于GPU可微参数化与广义卷积的硅光子无源器件逆向设计方法，结合开源FDTD和梯度下降优化器，将设计时间从数天缩短至分钟/小时级。
2025-05-06 physics.optics
Scalable photonic diffractive generators through sampling noises from scattering medium
针对大规模生成式光子计算探索不足的问题，该研究利用无序介质散射光作噪声源，结合衍射光学计算与编码策略、先进光子NN架构，实现了能在多数据集生成清晰图像的可扩展光子衍射生成器，推动光子计算发展。
2024-04-15 physics.optics
Inverse design of broadband and lossless topological photonic crystal waveguide modes
拓扑光子晶体波导可以产生边缘状态，该边缘状态可以更鲁棒地抵抗制造无序，并且可以产生低于光线的传播模式。我们提出了一个完全三维的方法来修改国家的最先进的设计，以实现一个显着的带宽改善无损传播。从初始设计开始，归一化带宽为7.5%（13.4 THz），修改后的带宽提高了100%以上，达到16.2%（28.0 THz）。这种新的设计是使用自动微分使能的逆设计和导模扩展技术来有效地计算能带结构和边缘状态模式。
2021-04-15 physics.optics
Scalable 3D silicon nitride photonic interposer for high-density optical interconnects
The University of Hong Kong（香港大学）
本文提出一种可扩展的3D硅氮光子中间件，通过全局优化算法优化3D路由方案，实现12节点全连接光学网络，减少交叉次数并降低损耗，适用于下一代高性能计算系统。
2026-04-14 physics.optics
Influence of surface termination on inverse Goos-Hänchen shift of negatively refractive photonic crystals
研究了介质背景下含空气孔的二维负折射光子晶体（NRPhC）在TM偏振下的表面终止效应对逆古斯汉臣（GH）位移的影响.结果表明，即使对于具有固定频率和入射角的入射光束，2DNRPhC的逆GH位移的大小也强烈依赖于表面终止。进一步计算了2D-NRPhC表面模色散随表面终止的变化，发现2DNRPhC在表面模激发的终止处存在较大的反Goos-Hanchen位移，即反Goos-Hanchen位移来源于2DNRPhC的后向表面模。此外，还研究了入射场与表面模场的耦合系数随表面终止的变化关系，并对上述结果进行了验证。本文提供了有关集成光路设计中各种功能光子元件组合的技术信息。
2015-10-09 physics.optics
Silicon photonic devices for scalable quantum information applications
硅光子学以其高集成度和优异的光学性能，成为实现全集成和大规模光量子信息处理的重要平台。可扩展的量子信息应用需要将光子的产生和探测集成在同一芯片上，我们已经看到，硅光子芯片上的各种器件都是为了这一目标而开发的。本文综述了可扩展量子应用的硅光子芯片的相关研究成果和最新技术。尽管存在不足，但部分部件的性能已经满足进一步扩展的要求。最后指出了片上可扩展量子信息应用面临的挑战和进一步的研究方向。
2022-08-10 physics.optics quant-ph
Machine Learning Inverse Problem for Topological Photonics
拓扑概念为光子器件开辟了许多新的视野，从集成光学到激光器。大规模拓扑器件的复杂性要求一个有效的解决方案的逆问题：如何最好地工程的拓扑结构，为特定的应用？我们介绍了一种新的机器学习方法的拓扑逆问题。利用Aubry-Andre-Harper模型的能带结构对神经网络系统进行训练，并将其用于求解反问题。我们的应用程序是能够识别复杂的拓扑绝缘体的参数，以获得在目标频率的保护边缘状态。一个具有挑战性的方面是处理直接问题的多值分支并丢弃非物理解决方案。我们克服了这个问题，采用自洽的方法，只选择物理相关的解决方案。我们在现实的拓扑激光器设计中展示了我们的技术，并采用了广泛使用的开源TensorFlow库。我们的结果是通用的，可扩展到数千个拓扑组件。这种基于机器学习的新的逆向设计技术可能扩展拓扑光子学的应用，例如，频率梳，量子源，神经形态计算和计量学。
2018-03-07 physics.optics
Inverse-Designed High-Q and Small-Mode-Volume Silicon Nitride Photonic Crystal Cavities for Second- and Third-Harmonic Generation
NTT Nanophotonics Center, NTT, Inc.（NTT公司纳米光子学中心）；Basic Research Laboratories, NTT, Inc.（NTT公司基础研究实验室）；International Center for Elementary Particle Physics, University of Tokyo（东京大学国际基本粒子物理中心）；Device Technology Laboratories, NTT, Inc.（NTT公司器件技术实验室）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）
该研究通过逆设计优化二维氮化硅光子晶体腔，实现近化学计量比二维氮化硅光子晶体腔最高约80000的品质因数，从同一腔观测到二次与三次谐波产生，确立其为非线性光子学及异质集成光子器件的有前景平台。
2026-10-28 physics.optics
Inverse-designed Photonic Computing Core for Parallel Matrix-vector Multiplication
本文提出一种逆向设计的光子计算核心，利用波导模式的正交性与转换特性，在同一器件内通过模式转换并行执行多个独立矩阵-向量乘法，实现了超紧凑尺寸和高计算精度。
2024-02-21 physics.optics
Accurate calculation of the local density of optical states in inverse-opal photonic crystals
我们研究了二氧化钛和硅反蛋白石--实验上实现的三维光子晶体的局域光态密度。采用H场平面波展开方法计算了与自发发射动力学和强耦合直接相关的态密度和投影局域光态密度。我们提出了第一个定量分析的频率分辨率和计算的局域态密度的准确性。我们计算了反蛋白石中许多不同发射极位置的投影LDOS，以便为最近的发射实验提供理论解释，并为其他工作者将来的实验和理论提供参考结果。结果表明，反蛋白石的LDOS强烈地依赖于晶格参数以及发射偶极子的位置和取向。
2009-02-11 physics.optics
Inverse design of third-order Dirac exceptional points in photonic crystals
我们提出了一种新的反向设计方法，使暴力发现的光子晶体（PhC）结构与复杂的光谱简并。作为一个证明的原则，我们展示了PhCs表现出三阶狄拉克点形成的\emph{accidental}退化的单极，偶极和四极性质的模式。我们发现，在适当的条件下，这些模式可以合并，并形成一个三阶例外点（EP3），导致分散的彼得曼因子。我们发现，在这样的EP 3的发射器的自发发射（SE）率，有关的局部状态密度，可以增强8的因素在纯有损（被动）结构，与更大的增强$\sim \sqrt{n^3}$可能在特殊点的高阶$n$或在材料的增益。
2016-05-19 physics.optics
Photon density of states engineering with generative inverse design for scalable 3D photonic metamaterials
Lund University（隆德大学）
本文提出一种端到端逆向设计框架，通过生成对抗网络生成目标光子密度态参数，实现3D光子超材料的高效设计，展示了高局部光子密度态结构的优异性能。
2026-04-08 physics.optics
Ultrafast optical switching of three-dimensional Si inverse opal photonic band gap crystals
我们提出了超快光开关的三维光子带隙晶体的实验。通过双光子过程光学激发自由载流子来实现Si反蛋白石的切换。我们探测反射率在二阶布拉格衍射的频率范围内的光子带隙的预测。我们发现良好的实验切换条件之间的0.3和0.7倍的光学频率的自由载流子等离子体频率：我们因此观察到一个大的频率偏移高达D Ω/Ω = 1.5%的所有光谱特征，包括对应于光子带隙的峰值。我们推导出相应的大的折射率变化Dn '_Si/n'_Si= 2.0%和诱导吸收长度大于样品厚度。我们观察到一个快速的衰减时间为21 ps，这意味着开关可能会重复GHz的速率。这种高开关速率与未来的开关和调制应用有关。
2007-09-19 physics.optics
Inverse designed photonic fibers and metasurfaces for nonlinear frequency conversion
通常，设计用于非线性频率转换的光子波导依赖于直观和既定的原理，包括折射率引导和带隙工程，并且基于具有高度对称性的简单形状。我们表明，最近开发的逆向设计技术可以应用于发现新的微结构光纤和超表面设计，以实现大的非线性频率转换效率。作为一个原则的证明，我们展示了复杂的，wavelengthscale硫族玻璃纤维和磷化镓超颖表面表现出一些最大的非线性转换效率预测到目前为止。这种增强的出现是因为，除了在设计波长的选择中实现很大程度的可调谐性之外，这些优化工具还确保了频率和相位匹配以及大的非线性重叠因子，可能比手工设计的结构中获得的那些大几个数量级。
2017-11-21 physics.optics
Scalable optical neural network with nonlocally coupled coherent photonic processor
The University of Tokyo（东京大学）；Toyota Technological Institute（名古屋工业大学）
本研究提出一种基于非局部耦合的可扩展光学神经网络，利用硅光芯片实现高效能的矩阵-向量乘法，突破传统光子架构的可扩展性限制。
2026-03-07 physics.optics
Photonic Design: From Fundamental Solar Cell Physics to Computational Inverse Design
光子创新在现代世界中变得越来越重要。光学系统在越来越短的通信距离中占据主导地位，LED在各种应用中迅速崛起，太阳能电池显示出成为能源领域主流技术的潜力。对新型、节能的光子和光电子器件的需求只会增加。这项工作结合了基础物理学和一种新颖的计算逆设计方法，以实现这种创新。本论文的前半部分是关于高效率太阳能电池的物理。随着太阳能电池接近基本的效率极限，它们的内部物理特性发生了变化。光子因素而不是电子因素是达到最高电压和效率的关键。适当的光子管理导致Alta Device最近将太阳能电池效率记录大幅提高至28.3%。此外，任何太阳能电池技术接近Shockley-Queisser极限都需要光提取成为未来所有设计的一部分。论文的后半部分介绍了逆设计作为一种新的计算范例在光子学。各种技术（FDTD，FEM等）已经使得能够快速和准确地模拟为给定几何形状寻找场的"正问题"。然而，科学家和工程师通常对逆问题更感兴趣：对于所需的功能，需要什么样的几何形状？这一问题的提出打破了对正问题的重视，为计算光子学开辟了一条新的道路。形状演算的框架使人们能够快速找到优越的，非直观的设计。提出了用于光学隐身和亚波长太阳能电池应用的新设计。
2013-08-01 physics.optics
Design of a 3D photonic band gap cavity in a diamond-like inverse woodpile photonic crystal
本文从理论上研究了三维倒木堆结构光子晶体的腔体设计。这类立方类金刚石晶体具有非常宽的光子带隙，并且由具有矩形结构的两个垂直阵列的孔组成。作为空腔的点缺陷集中在两个相交的垂直孔的交叉点上，其半径与晶体本体中的半径不同。我们已经进行了超原胞能带结构的计算与高达$5 \times 5 \times 5$单位细胞。我们发现，多达五个孤立的和无色散带出现在三维光子带隙。对于每个隔离带，电场能量被定位在以点缺陷为中心的体积中，因此点缺陷充当3D光子带隙腔。腔谐振的模体积小至0.8 $λ^{3}$（谐振波长立方），表明光的强限制。通过改变缺陷孔的半径，我们发现，只有施主类共振出现较小的缺陷半径，而没有受体类共振出现较大的缺陷半径。从电场能量密度分布的3D图中，我们得出结论，在位于点缺陷处的尖锐边缘中发现的能量峰值，类似于电子如何在这些特征处收集。这与在非倒置木堆结构中观察到的空腔不同。由于逆木堆晶体可以从硅CMOS兼容的手段制造，我们的项目，单腔，甚至腔阵列可以实现，在近红外的电信窗口兼容的波长范围。
2014-05-12 physics.optics
Recursive Inverse Design Enables Hyper-spectral Photonic Integrated Circuits
State Key Laboratory of Photonics and Communications, School of Electronics, Peking University（北京大学电子学院光子与通信国家重点实验室）；State Key Laboratory for Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University（北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室）；Frontiers Science Center for Nano-optoelectronics, Peking University（北京大学纳米光电前沿科学中心）；Peking University Yangtze Delta Institute of Optoelectronics（北京大学长三角光电科学研究院）
提出超光谱光子集成电路（HS-PICs），通过递归逆向设计策略利用组件间相互作用使光谱复杂性呈指数级增长，实现亚皮米级分辨率光谱解析，为下一代计算与传感技术建立变革性框架。
2025-10-14 physics.optics
Integrated photonic deep neural network with end-to-end on-chip backpropagation training
本研究提出一款具备端到端片上梯度下降BP训练能力的集成光子深度神经网络，所有计算均在单光子芯片完成，可应对制造器件偏差，分类任务表现与理想数字模型相当，为下一代可扩展可靠光子计算系统铺路。
2025-06-17 physics.optics
PRISM: Photonics-Informed Inverse Lithography for Manufacturable Inverse-Designed Photonic Integrated Circuits
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；NVIDIA Corp.（英伟达公司）；Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）
针对逆设计光子集成电路可制造性差的问题，提出PRISM方法，通过物理感知的逆光刻流程，结合紧凑校准图案、可微分制造模型和光子学感知掩模优化，显著提升后制造性能和良率。
2026-06-01 cs.ET physics.optics
Poles of the Scattering Matrix: An Inverse Method for Designing Photonic Resonators
我们开发并实现了一个新的数学和计算框架，用于设计具有一个或多个高$Q$散射共振的光子元件。该方法依赖于求解散射矩阵的极点，这在数学上相当于使电场的Fredholm积分算子相对于散射元件的介电常数分布的行列式最小化。我们应用该方法来设计亚波长梯度介电常数结构的多散射谐振和品质因数超过500。光谱散射截面与Fano线型一致。我们的形式主义的紧凑的形式和计算效率表明，它可以是一个有用的工具，用于设计Fano谐振结构与多个高$Q$谐振的应用，如混频和转换。
2019-09-14 physics.optics
Energy flux pattern of inverse Goos-Hanchen shift in photonic crystals with negative index of refraction
研究了不同表面终端的负折射光子晶体（NRPhC）与空气界面处反古斯-汉臣（GH）位移的能流分布。结果表明，NRPhC在TM和TE极化方向上均表现出逆GH位移，能流的位置和模式在TM和TE极化方向上不同，并受表面终止的强烈影响。这与负介电常数材料的条件不同（即，金属），其仅在TM偏振中呈现逆GH移位。在TE极化情况下，能流模式表现为后向波通量，其局域化随表面终止的变化而从表面向内部变化。在TM极化情况下，能流模式始终局限于NRPhC表面，而在NRPhC表面，能流模式由后向波流转变为涡旋流，这与金属TM极化的能流模式不同。通过适当地截断NRPhC的表面，我们可以控制TM和TE偏振光的逆GH位移的大小。
2015-01-07 physics.optics
Massively Scalable Wavelength Diverse Integrated Photonic Linear Neuron
随着大数据、云连接和物联网对计算资源的需求不断升级，开发新的低功耗、可扩展的架构势在必行。神经形态光子学，或光子神经网络，已经成为一个可行的解决方案，直接在芯片上的有效算法的物理实现。这种应用主要是由于光的线性性质和硅光子学的可扩展性，特别是利用用于制造微电子芯片的大规模互补金属氧化物半导体（CMOS）制造基础设施。目前的神经形态光子实现源于两个范例：波长相干和非相干。在这里，我们介绍了一种新的架构，支持相干和非相干操作，以增加光子神经网络的能力和容量，与以前的演示相比，在足迹显着减少。作为一个原则的证明，我们实验证明了简单的加法和减法运算的晶圆制造的硅光子芯片。此外，我们通过实验验证了片上网络，以预测逻辑2位门AND，OR和XOR的精度分别为$96.8\%, 99\%,$和$98.5\%$。该架构与高波长并行源兼容，从而实现大规模可扩展的光子神经网络。
2022-08-25 cs.ET physics.optics
Inverse design of functional photonic patches by adjoint optimization coupled to the generalized Mie theory
本研究提出将伴随优化与二维广义米氏理论结合的严谨方法，实现功能光子贴片的逆向设计，可完成辐射塑形等多种功能，且非周期沃格尔螺旋结构在消色差聚焦上优势显著，计算量远低于标准数值优化方法。
2023-03-06 physics.optics
Design of an aluminum nitride based electro-optic phase modulator and photonic switch for next generation scalable photonic integrated circuits
针对囚禁离子等原子物理实验的可扩展光子集成需求，设计了基于氮化铝波导、工作在411 nm的电光相位调制器与推挽结构光开关，经FEM仿真优化后实现了较低的$V_πL$，验证了AlN用于紫外光子集成电路的潜力。
2025-03-24 physics.app-ph physics.optics
Physics-Informed Graph Neural Network for Inverse Design of Integrated Photonic Biosensors
McMaster University（麦克马斯特大学）；McGill University（麦吉尔大学）
本文提出了一种具有物理信息的图神经网络，用于高效设计1550nm波段的微环谐振器生物传感器，通过结合结构连接性和电磁原理，实现高精度的逆向设计。
2026-02-22 physics.optics
Inverse-designed photonic interfaces beyond eigenmode expansion limits
City University of Hong Kong（香港城市大学）；Rhinoptix Technology Limited.（雷鸟科技有限公司）
针对光子集成电路中不同平台与光纤的模式失配问题，采用逆设计方法，在薄膜铌酸锂平台实现高效超紧凑光子接口，降低耦合损耗，兼容标准组件，减少光刻步骤，设计概念广泛适用。
2026-07-08 physics.optics
Special polarization characteristic features of a three-dimensional terahertz photonic crystal with a silicon inverse diamond structure
用平面波展开法计算了点阵形状为空位正八面体的硅反金刚石结构的能带结构。理论上证实了在0.4THz附近存在完整的光子带隙。一般认为，三维光子晶体在垂直入射时，在高对称点的光子带隙（阻带、阻带）中不存在偏振各向异性。然而，实验证实反射波的偏振取向不同于入射波的偏振取向，[I $(X,Y)$ ]，其中$(X,Y)$是固定在光子晶体中的坐标系。通过在平面（001）上相对旋转样品，在X点的光子带隙（0.36 $-$ 0.44 THz）附近对入射波方向[001]进行了研究。当入射波的偏振方向为I（1，1）或I（1，$-$ 1）时，反射波的偏振方向平行于入射波的偏振方向。相反，当入射波为I（1，0）或I（0，$-$ 1）时，在0.38 THz附近，前者垂直于后者。对于本文所研究的光子晶体，入射偏振矢量的分解和合成方法在表面上不能适用于反射光谱旋转的分析。
2019-03-27 physics.optics
The role of fabrication deviations on the photonic band gap of 3D inverse woodpile nanostructures
在这份报告中，非故意偏离理想的反木堆光子晶体的带隙的影响进行了讨论。这些偏差发生在晶体的纳米加工期间。通过计算分析，它表明，这种类型的晶体的带隙是强大的大多数类型的偏差，涉及到的半径，位置和角度排列的孔。然而，光子带隙对孔的锥形化非常敏感，即，锥形孔代替圆柱形孔。为了获得大体积的三维倒木堆光子晶体，我们的工作表明，与现代制造性能，锥形贡献最显着的倒木堆光子晶体的光子强度的降低。
2009-01-22 physics.comp-ph physics.optics
Photonic bands, superchirality, and inverse design of a chiral minimal metasurface
光子能带结构是周期性光学结构的典型指纹，通常以透射、反射和吸收等光谱量观测。在这里，我们还表明，由非中心对称的晶格，L形孔在介电板构成的超颖表面的手征光学响应示出了能带结构，其中的内在和外在的手征效应被清楚地识别和连接到本地化和离域共振。超手征近场可以激发对应于这些共振，和异常行为的入射偏振的函数发生。此外，我们引入了奇异值分解（SVD）的方法来表明，上述效果连接到特定的指纹的SVD谱。最后，我们证明了通过逆向设计技术，基于L形孔阵列的元表面是一个最小的。事实上，它的晶胞几何形状取决于实现任意传输矩阵所需的最小数量的参数，该传输矩阵符合2d手性结构的一般对称性。这些观测使更强大的波操作在无损的光子环境。
2019-07-17 physics.optics
Reducing Disorder-Induced Backscattering in Photonic Crystal Waveguides through Inverse Design
Queen’s University（女王大学）
通过逆向设计减少光子晶体波导中由杂乱引起的反向散射，提升波导性能。
2026-02-11 physics.optics
MxDiffusion: A Physics-Aware Maxwells Law-Guided Diffusion Model Strategy for Inverse Photonic Metasurface Design
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Baylor University（贝勒大学）
MxDiffusion通过结合物理和数据驱动的扩散模型，实现了高精度的光子超材料逆向设计，尤其在复杂和约束条件下表现优异。
2026-02-18 physics.optics
Integrated emitters with CMOS-compatible tuning for large scale quantum SiN photonic circuits
Ghent University（根特大学）；Niels Bohr Institute, University of Copenhagen（哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所）；Sparrow Quantum ApS（Sparrow量子有限公司）；University of Ljubljana（卢布尔雅那大学）；Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）
本研究通过CMOS兼容的低损耗SiN平台实现了InGaAs量子点的可扩展集成，展示了高加工产量和波长可调性，为大规模量子光子电路集成提供了新途径。
2025-11-26 physics.optics
A topological encoding method for data-driven photonics inverse design
数据驱动方法是近年来提出的光子结构逆向设计和优化的有效策略。为了帮助数据驱动的方法的光子器件的拓扑结构的设计，我们提出了一种拓扑编码方法，将光子结构表示的二进制图像到一个连续的稀疏表示。这种稀疏表示可以用于降维和数据集生成，从而能够通过数据驱动的方法有效地分析和优化光子拓扑。作为原理的证明，我们利用我们的编码方法设计具有各种衍射强度分布的二维非傍轴衍射光学元件。我们证明了我们的编码方法能够帮助基于机器学习的逆向设计方法进行精确和全局优化。
2019-12-14 physics.comp-ph physics.optics
Scalable and ultralow power silicon photonic two-dimensional phased array
基于光子集成电路的光学相控阵（PIC-OPA）结合了平面光学和自由空间光学的优点，是一种很有前途的可编程处理器和空间光调制器。它们在硅光子平台中的实现特别富有成效。尽管在这一领域取得了很大进展，证明可操纵的二维（2D）OPA可扩展到大量的阵列元件，并与一个单一的波长操作已被证明是一个挑战。此外，在阵列中用于编程远场波束的移相器要么是耗电的，要么具有大的占地面积，从而阻止了大规模2D阵列的实现。在这里，我们展示了一个二维硅光子相控阵高速（~330 KHz）和超低功耗微谐振器移相器与紧凑的半径（~3 μm）和2π相移能力。每个移相器平均消耗约250 μW的静态功率用于谐振对准，消耗约50 μW的功率用于远场波束成形。这样的PIC-OPA设备可以实现新一代紧凑且可扩展的低功率处理器和传感器。
2023-01-23 physics.app-ph physics.optics
Inverse Design of Photonic Crystal Waveguides Using Neural Networks and Dispersion Optimization
针对光子晶体波导传统数值设计方法在高维参数空间下效率低的问题，提出基于CNN的逆向设计方法，构建数据集训练BPNN与CNN模型，经MPB交叉验证证实可靠性，为高效低损耗光子器件设计提供新路径。
2024-10-08 physics.optics
Scalable photonic-phonoinc integrated circuitry for reconfigurable signal processing
本文利用蓝宝石上的氮化镓实现了无需悬浮结构的可扩展光子-声子集成电路，能够同时实现光声场的高效发射、灵活路由与可重构处理，并展示了声学介导的频分复用射频与光信号的可重构转换。
2025-03-02 physics.app-ph physics.optics
Optimizing the chiral Purcell factor for unidirectional single photon emitters in topological photonic crystal waveguides using inverse design
本文提出了一种逆设计方法，可以显著提高拓扑光子晶体平板波导中手征光子元件和量子发射器的品质因数。从一个拓扑波导模式与群指数约为10和最大向前或向后的Purcell因子在手性点小于0.5，我们进行优化的方向Purcell因子。我们使用一个全三维的导模展开方法来有效地计算波导带色散特性和模式，而自动微分计算目标函数的梯度。我们提出两个改进设计的示例：（i）具有约30的可及基团指数和在手性点处大于4.5的最大单向Purcell因子的拓扑模式，表示Purcell因子的近10倍改进，和（ii）慢光模式，远离布里渊区边缘，具有大于350的群折射率和大于45的手征点处的最大单向Purcell因子。
2022-10-04 physics.optics
Inverse-designed photonics for semiconductor foundries
硅光子学正在成为光子学领域的领先技术，在长距离和数据中心内链路中取代传统光纤收发器，并实现固态LiDAR（光探测和测距）和光学机器学习等新应用。然而，由于传统半解析设计的组件的大尺寸和有限的性能，进一步提高硅光子器件的密度和性能一直具有挑战性。使用逆向设计的光子器件的自动优化是一条很有前途的前进道路，但到目前为止，在生产可以大规模可靠制造的设计方面面临着困难。在这里，我们实验证明了四个反向设计的设备-空间模式复用器，波长解复用器，50-50定向耦合器，和3路功率分配器-成功地在商业硅光子铸造。这些器件效率高，对制造可变性鲁棒，并且紧凑，占地面积仅为几微米。它们为逆向设计的广泛实际应用铺平了道路。
2020-01-13 physics.app-ph physics.optics
Inverse-Designed Photonic Crystal Circuits for Optical Beam Steering
光子晶体波导（PCW）具有限制和减慢光的能力，这使得它们成为提高各种光子器件（如光调制器或传感器）性能的理想元件。然而，在光子应用中的PCW的集成提出了设计挑战，最值得注意的是，工程的PCW模式色散和创建高效的耦合器件。在这里，我们解决了这些挑战与光子逆向设计，并实验证明慢光PCW光学相控阵（OPA）具有较宽的转向范围。偶模和奇模PCW分别在20 nm和12 nm的带宽上针对25的群折射率进行设计。此外，对于这两种PCW设计，我们创建条形波导耦合器和自由空间垂直耦合器。最后，同样依赖于逆向设计，设计了PCW的辐射损耗，使我们能够在20 nm带宽内构建具有20°转向范围的OPA。
2021-07-17 physics.app-ph physics.optics
The Inverse Problem of Quartic Photonics
我们提出了一种方法来工程四次超材料从所需的光子态。我们应用我们的方法的设计的高k渐近的超材料，极端的非互易性和复杂的双各向异性介质。
2017-12-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Global Inverse Design Across Multiple Photonic Structure Classes Using Generative Deep Learning
了解如何优化配置纳米或微米级结构和材料特性以实现特定功能仍然是一项根本挑战。例如，光子超颖表面可以通过材料选择和结构几何形状进行光谱调谐，以实现独特的光学响应。然而，现有的数值设计方法需要事先识别特定的材料-结构组合或器件类别，作为优化的起点。因此，尚未实现同时优化材料和几何形状的统一解决方案。为了克服这些挑战，我们提出了一个基于全局深度学习的逆向设计框架，其中条件深度卷积生成对抗网络在用一系列材料和结构参数编码的彩色图像上进行训练，包括折射率，等离子体频率和几何设计。我们证明，在响应目标吸收光谱，网络可以识别一个有效的元表面在其类别，材料属性和整体形状。此外，该模型可以得到具有不同材料和结构的多种设计变体，这些材料和结构呈现出几乎相同的吸收光谱。因此，我们提出的框架是迈向全球光子学和材料设计策略的重要一步，这些策略可以识别器件类别、材料特性和几何参数的组合，从而在算法上提供所需的功能。
2021-07-19 physics.optics
Inverse designed photonic crystal waveguides for pulsed operation: dispersion, losses, and controlled light-matter interactions
Queen’s University（女王大学）
通过逆向设计结合高效模式求解器和物理公式，将光子晶体波导设计计算时间降低100倍以上，实现带宽提升一个数量级、损耗降低4倍，并应用于宽带Purcell增强和紧凑型移相器。
2026-06-24 physics.optics
Double inverse nanotapers for efficient light coupling to integrated photonic devices
有效的光耦合到集成光子器件中对于各种各样的应用是至关重要的。“反向纳米锥”被广泛使用，其中波导宽度被减小以匹配入射模式。在这里，我们展示了新的，“双反”锥度，其中我们锥形波导的高度，以及宽度。我们证明了，在比较规则的倒锥，双倒锥有很好的偏振无关的耦合。此外，最佳的耦合实现了更大的锥度尺寸，使使用光刻，而不是电子束光刻，相关的应用在近红外和可见光波长。低耦合损耗使它们特别适合于非线性光子学，例如超连续谱和孤子微梳产生。
2018-02-23 physics.app-ph physics.optics
Label-Efficient Generative Inverse Design and Design-Rule Discovery in Freeform Topological Photonics
University of Michigan（密歇根大学）
本研究提出无标签扩散先验与卷积代理模型结合的方法，利用1,700倍成本不对称性实现自由形式谷光子晶体的标签高效逆向设计，并发现可解释的大带隙设计规则。
2026-09-24 physics.optics
Scalable photonic crystal waveguides with 2 dB component loss
本研究利用CMOS代工厂深紫外光刻大规模并行工艺抑制纳米制造几何不均匀性，实现亚毫米长光子晶体波导2 dB总损耗和40 dB消光比，展示了可扩展的超低损耗器件。
2023-05-07 physics.app-ph physics.optics
Deep learning assisted inverse design of nonreciprocal multilayer photonic structures
City University of Hong Kong（香港城市大学）
本研究利用深度学习方法，通过FNN、IDN和VAE三种模型，高效设计非 reciprocal 多层光子结构，提升设计效率和性能。
2026-03-11 physics.optics
In-situ three-dimensional strain engineering of solid-state quantum emitters in photonic structures towards scalable quantum networks
针对固态量子发射体光谱非均匀性挑战，开发了基于PDMS的低温兼容原位三维应变工程平台，实现了量子点发射能量独立调节与精细结构分裂消除，为可扩展量子网络提供强大工具。
2025-04-03 physics.optics quant-ph
Inverse Design of the Topology Bandwidth Tradeoff in Valley Photonic Crystals
IIT Bombay（印度理工学院孟买分校）；Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research (JNCASR)（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心）；Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）
本文提出了一种逆设计方法，通过优化谷光子晶体的拓扑特性与带隙，实现稳定波传播和高传输效率。
2026-10-02 physics.optics
From rings to resonance: an inverse method links biophotonic structural color to inverse photonic glasses
University of Fribourg（弗里堡大学）；Universidade Federal do Rio de Janeiro（里约热内卢联邦大学）；Trinity College Dublin（都柏林三一学院）
该研究提出一种逆方法，通过比对光谱数据库识别生物光子网络的结构特征，发现环和孔是关键散射基元，为生物启发结构色材料提供新设计原则。
2026-08-27 cond-mat.dis-nn physics.optics
