Observation of Complete Photonic Bandgap in Low Refractive Index Contrast Inverse Rod-Connected Diamond Structured Chalcogenides
三维完全光子带隙材料或光子晶体在所有方向上阻挡光传播。棒连接的金刚石结构表现出迄今为止已知的最大光子带隙，并支持最低折射率对比度低至$n_{high}/n_{low} \sim 1.9$的完整带隙。我们通过测量Sn-S-O $(n\sim1.9)$和Ge-Sb-S-O $(n\sim2)$逆棒连接金刚石结构在红外区的完整光子带隙来证实这个阈值。该结构是使用低温化学气相沉积工艺通过单反转技术制造的。这提供了一种可靠的完整光子带隙材料的制造技术，并扩展了光子带隙材料库，从而导致广泛的未来光子应用。
2019-05-01 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
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
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
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
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
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
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
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
Inverse Anderson transition in photonic cages
通过安德森局域化的输运抑制在无序周期晶格中是普遍存在的。然而，在晶体中，显示只有平带无序可以解除宏观带平坦化，消除几何局部化，并使运输在某些条件下。这样一个惊人的现象，被称为逆安德森转变和预测的三维平带系统，迄今为止还没有被直接观察到。本文提出了一个简单的准一维光子平带系统，即Aharonov-Bohm光子笼，在这个光子笼中，关联的二元无序引起逆Anderson跃迁和弹道输运.
2021-06-01 cond-mat.dis-nn physics.optics quant-ph
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
Deep learning in nano-photonics: inverse design and beyond
纳米光子学背景下的深度学习主要讨论其在光子器件或纳米结构逆向设计方面的潜力。最近许多关于机器学习逆向设计的工作都是非常具体的，并且各自方法的缺点通常并不清楚。因此，在这篇综述中，我们希望对深度学习在逆向设计中的能力以及迄今为止所取得的进展进行批判性的回顾。我们在更高的层次上对不同的基于深度学习的逆向设计方法进行了分类，并根据其各自的应用背景对其进行了分类，并批判性地讨论了它们的优缺点。虽然社区的注意力很大一部分集中在纳米光子逆向设计上，但深度学习已经发展成为各种应用的工具。因此，评论的第二部分将重点关注纳米光子学中的机器学习研究“超越逆向设计”。这从物理学通知的神经网络到光子学模拟的巨大加速，从稀疏数据重建，成像和“知识发现”到实验应用。
2021-01-12 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics
Hypersphere Optimization: Approximated Gradient-Based Binary Optimization on Smooth Manifold for Photonic Inverse Design
光子逆向设计通常寻求由二元阵列参数化的设计，其中每个元素的值对应于空间中特定点处材料的存在或不存在。光子逆设计的基于双态的方法通常包括非二进制优化阵列的阈值化;当阈值化足够尖锐时，获得二进制设计。然而，由于尖锐阈值的梯度消失，可能会出现困难，这会导致优化停止。在这里，我们提出了超球优化，一种新的方法进行二进制光子优化的高维流形。我们数值计算表明，在流形上，从目标函数的上游梯度可以顺利地过渡到另一个设计从一个近二进制阵列与最小的像素翻转。我们的方法是一个近似的基于梯度的优化方法的二进制阵列，可以应用于各种光子逆设计问题和超越。
2022-09-05 cs.ET physics.comp-ph physics.optics
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
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
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 Diamond Photonics
钻石拥有光学活性色心，在量子计算、网络和传感方面具有巨大的前景。这些应用的实现取决于将色心集成到光子电路中。然而，目前的金刚石量子光学实验仅限于单个器件和少量量子发射器，因为制造限制限制了器件功能，从而排除了色心集成光子电路。在这项工作中，我们利用逆向设计方法来克服尖端的金刚石纳米制造方法的限制，并制造具有独特规格的紧凑和坚固的金刚石器件。我们的设计方法利用先进的优化技术来搜索可制造器件设计的完整参数空间。我们实验证明反向设计的光子自由空间接口，以及他们的可扩展的集成与两个截然不同的设备：经典的光子晶体腔和反向设计的波导分束器。我们逆向设计的金刚石平台的多器件集成能力和性能代表了集成金刚石量子光学电路的关键进步。
2019-07-30 cond-mat.mes-hall physics.app-ph 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
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
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-designed Silicon Carbide Quantum and Nonlinear Photonics
针对逆向设计在非线性光子学应用有限的问题，研究团队通过逆向设计碳化硅法布里-珀罗腔，调控色散实现多阶非线性光产生与参量振荡，首次验证了计算优化在非线性光生成中的效用。
2023-03-30 physics.optics quant-ph
OptiClear: Differentiable Curvilinear Design Rule Legalization for Inverse-Designed Photonic Devices
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）；NVIDIA Corporation（英伟达公司）
研究针对逆设计光子器件布局违反制造规则的问题，提出OptiClear框架，含OptiClear - R和OptiClear - D两个合法化引擎及定制算子，能将设计规则违规从数千减少到零。
2026-07-07 cs.ET physics.optics
Manifold Learning for Knowledge Discovery and Intelligent Inverse Design of Photonic Nanostructures: Breaking the Geometric Complexity
School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology（电子与计算机工程学院，佐治亚理工学院）
本文提出基于流形学习的光子纳米结构知识发现与智能反向设计方法，通过研究不同设计复杂度的纳米结构响应子流形，在潜在空间中获取设备操作物理机制的洞察，指导更智能的设计。
2021-02-07 cs.LG 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
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
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
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
Inverse Spin Thermal Hall Effect in Non-Reciprocal Photonic Systems
本文预测了非互易系统中由光子自旋角动量梯度引起的横向辐射热通量，即逆自旋热霍尔效应，并在C4对称磁光网络及空间可变磁场下进行分析，为热管理和能量转换开辟新途径。
2025-01-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Creating bio-inspired hierarchical 3D-2D photonic stacks via planar lithography on self-assembled inverse opals
结构层次和复杂的3D架构是生物光子设计的特征，在合成材料中重现具有挑战性。自顶向下光刻允许任意形状的设计者图案化，但主要限于平面2D结构。自组装技术使三维光子晶体的制备变得容易，但可控的缺陷集成是困难的。在本文中，我们结合了自上而下和自下而上的制造的优势，开发了两种技术，以沉积2D光刻图案化的平面层的顶部或之间的反蛋白石3D光子晶体和创建分层结构，类似于建筑的明亮的绿色翅膀鳞片的蝴蝶，Parides sesostris。结合自上而下和自下而上制造的优点，这些制造过程可以证明在全向着色元件和3D-2D光子晶体器件的开发中是有用的。
2012-11-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft 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
An Integrated Optical Circuit Architecture for Inverse-Designed Silicon Photonic Components
在这项工作中，我们展示了一个紧凑的工具包，逆向设计的拓扑优化的硅光子器件，以即插即用的方式排列，实现许多不同的光子集成电路，包括无源和有源，每个都具有很小的足迹。绝缘体上硅1550 nm工具包包含一个2x2 3dB分合器，一个2x2波导交叉和一个2x2全前向分插谐振器。利用热光效应、相变包层、自由载流子注入等技术，该谐振腔可以成为一个2 × 2的电光交叉开关。对于本工作中演示的十个电路中的每一个，光子器件工具包使紧凑的电路能够实现低插入损耗和低串扰。通过采用复杂的逆向设计方法，可以使每个单独器件的设计结构、形状和尺寸更加灵活，以更好地适应更大电路的架构。对于一个紧凑的架构，我们提出了一个统一的，并行的波导电路框架，其中的设备被设计成无缝地适应，从而实现低复杂度的电路设计。
2022-11-16 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
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
Compact 200 line MATLAB code for inverse design in photonics by topology optimization: tutorial
我们提供了一个紧凑的200行MATLAB代码，演示了如何拓扑优化（TopOpt）作为一种逆向设计工具，可用于光子学，针对二维介电超透镜和金属反射器的设计为例。物理模型采用有限元法求解，程序采用MATLAB的fmincon算法求解优化问题。除了介绍代码本身之外，我们还简要讨论了一些扩展，并提供了实现其中一些扩展所需的代码。最后，我们证明了使用基于梯度的方法相比，遗传算法为基础的方法（使用MATLAB的GA算法）解决光子学中的逆设计问题的优越性。MATLAB软件在论文中免费提供，可以从https://www.topopt.mek.dtu.dk下载。
2021-02-23 cs.CE cs.MS 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
Inverse Design of Photonic Metasurface Gratings for Beam Collimation in Opto-fluidic Sensing
超颖表面提供了能够使平面上的光学元件的复杂级联小型化的破坏性技术。我们利用这样的表面的好处，开发一个平面集成光子束准直器的片上光流传感应用。虽然目前的大部分工作集中在简化的光学“检测”硬件，很少注意到开发的光学“激发”的片上硬件。在这篇手稿中，我们提出了一个平坦的超颖表面光束准直的光流体应用。我们实现了一种逆设计方法，使用梯度下降法优化超颖表面和实验比较其特性与传统的二元光栅为基础的光子束衍射器。所提出的超颖表面可以在诸如荧光成像、拉曼和IR光谱的芯片上应用中将照明效率提高几乎两倍，并且可以实现用于高通量生物传感的光源的复用。
2019-10-31 physics.app-ph physics.optics
Inverse design of nano-photonic wavelength demultiplexer with a deep neural network approach
University of Sydney（悉尼大学）
在本文中，我们提出了一个预训练的组合神经网络（PTCN）作为一个全面的解决方案，集成光子电路的逆设计。通过利用初始预训练的逆模型和正模型以及联合训练过程，我们的PTCN模型对训练数据的数量和质量表现出显着的容忍度。作为概念验证的演示，波长解复用器的逆设计被用来验证PTCN模型的有效性。即使训练数据的大小减少到17%，PTCN模型的预测的相关系数仍然大于0.974。实验结果表明，该波长解复用器具有超紧凑的结构，传输效率高，传输损耗为-2dB，反射率为-10dB，串扰为-7dB左右。
2022-05-15 cs.LG physics.optics
Inverse design of dual-band valley-Hall topological photonic crystals with arbitrary pseudospin states
本文提出基于频域分析和横向自旋角动量的逆向设计框架，用于设计具有任意赝自旋态的双频带谷霍尔拓扑光子晶体波导，实现频率依赖光路由。
2025-03-28 cs.CE physics.optics
Modelling Defect Cavities Formed in Inverse Three-Dimensional Rod-Connected Diamond Photonic Crystals
三维光子晶体中的缺陷腔可以在介质材料允许的最小体积内捕获和存储光，从而增强非线性和腔QED效应。在这里，我们使用平面波展开和时域有限差分方法研究含有点缺陷腔的逆棒连接金刚石（RCD）晶体。通过优化晶体的尺寸，获得了较宽的光子带隙。然后可以通过在晶体中引入点缺陷来设计中带隙谐振。我们调查了各种单一的球形缺陷在不同位置的单位细胞集中在高折射率对比度（3.3：1）的反RCD结构，品质因数（Q因子）和模式体积的谐振腔模式计算。通过选择由位于四面体排列中心的单个球缺陷组成的对称排列，获得了< 0.06立方波长的模体积，这是高折射率腔的记录。
2017-01-18 physics.optics quant-ph
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
End-to-End Physical Design Automation Flow for Yield-Optimized Inverse-Designed Large-Scale Electronic-Photonic Integrated Circuits
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；NVIDIA Corp.（英伟达公司）；GDSFactory
本文提出OptoSynthesizer流程，通过整合逆向设计、布局和路由工具，实现大规模电子-光子集成电路的高良率和紧凑设计。
2026-04-16 cs.ET physics.optics
Topologically protected photonic transport in bi-anisotropic meta-waveguides
我们提出了一种二维双各向异性元波导的设计，它表现出拓扑非平凡的光子相位和稳健的光子输运。所提出的结构表示由放置在平行金属板内的金属圆柱体的周期性阵列形成的波导，并且被设计为支持两对狄拉克锥，从而允许在凝聚态系统中模拟电子的自旋。结果表明，通过使亚波导具有双各向异性，可以模拟拓扑绝缘体中的自旋-轨道相互作用，并打开一个完整的光子拓扑带隙。第一性原理数值模拟表明，两个元波导与反向双各向异性之间的畴壁支持光子边缘状态对某些类别的结构缺陷，包括尖锐的弯曲和无序鲁棒。
2014-01-07 physics.optics
Reconfigurable inverse designed phase-change photonics
本研究提出在逆向设计的光子器件中利用对相变材料的像素级控制，通过直接激光写入实现局部相位调控，从而实现高度可重构的多功能操作，为下一代可编程相变光子系统提供了新方法。
2024-08-22 physics.app-ph physics.optics
Inverse design in photonics by topology optimization: tutorial
拓扑优化方法的逆设计的纳米光子系统最近变得非常流行，并提出了各种形式和各种名称。方法包括基于梯度和非梯度的算法，结合或多或少系统的方法来提高收敛性，离散性的解决方案和制造约束的满意度。我们在这里提供了一个教程的系统和有效的设计纳米光子结构的拓扑优化（TopOpt）。该实施基于TopOpt在过去三十年中为结构优化开发的先进和系统的方法。本教程以圆柱形超透镜设计问题为例，介绍了如何逐步推导构成拓扑优化方法基础的连续约束优化问题。它展示了在设计过程中应用一些辅助工具的效果和必要性，以确保良好的数值模拟实践和实现物理上可实现的设计。应用实例还包括光学解复用器。
2021-02-23 physics.comp-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
