近日，浙江大學李爾平、林宏燾團隊提出了一種新的“魯棒-逆向”設計方法，并首次實現(xiàn)中紅外超緊湊硫系光子器件。新的設計方法避免了傳統(tǒng)的中紅外光子學器件設計鐘一直依賴于基于直覺的缺陷，同時也解決了傳統(tǒng)逆向設計方法所面臨的對于工作條件和加工誤差敏感的低魯棒性劣勢。

中紅外集成光學器件在紅外成像、化學、生物傳感，光通信等方面具有極高的應用價值。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)，長期以來一直被視為中紅外集成光子學的理想材料。傳統(tǒng)的中紅外硫系光子器件的設計依賴于規(guī)則的幾何結構，停留在經(jīng)驗為主導的手工設計上。逆向設計能夠使用更復雜的優(yōu)化算法并自動搜索結構，雖然給器件的設計帶來革命性地便利，但是也受限于優(yōu)化時間過長、局部最優(yōu)和低魯棒性的缺點。而隨著工作波長的增加和折射率的降低，相比于近紅外的光學系統(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，逆向設計方法在納米光子學中得到了廣泛的應用。其中，基于梯度的逆向設計方法雖然能夠顯著降低計算成本，但是由于優(yōu)化問題往往是高度非凸，器件設計面臨著局部最優(yōu)的困境，設計的結果往往對于加工和工作條件敏感。

浙江大學李爾平、林宏燾研究團隊創(chuàng)新性地將逆向設計和魯棒設計相融合，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，在保證與傳統(tǒng)逆向設計方法幾乎相同優(yōu)化時間的前提下，將器件設計的魯棒性提升了十倍。

圖1. (a)“魯棒-逆向”設計算法流程圖；(b)”魯棒-逆向”設計算法（紅色區(qū)域）和逆向設計算法（藍色區(qū)域）的魯棒性分析對比圖；(c)不同加工誤差下魯棒-逆向設計算法和逆向設計算法的器件性能對比。

基于上述方法，該研究團隊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、波導偏振器、模式轉換器件和波分解復用器。對于偏振分束器，該團隊實現(xiàn)了262 nm的寬帶特性（消光比大于20 dB，插損小于1dB）；對于波導偏振器件，團隊展示了一個帶寬為147 nm，消光比25.86 dB的器件設計；還實現(xiàn)了一種帶寬為400nm的超寬度的中紅外模式轉換器件（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用器件（消光比大于20 dB；近紅外：374nm；中紅外：360 nm）。實驗結果很好地證實了器件性能，同時也是上述該類型中紅外硫系逆向設計器件地首次實現(xiàn)。

圖2. 中紅外硫系光子器件結構示意圖：(a)偏振分束器；(b) 波導偏振器；(c) 模式轉換器件；(d) 波分解復用器

該工作首次提出了一種“魯棒-逆向”設計方法，并實驗展示多種不同功能的中紅外硫系光子學器件，不僅實現(xiàn)了極高的器件性能，同時保證了對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景，有望在可重構器件、非線性光學、光計算等領域帶來新的發(fā)展。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省自然基金等項目的資助。西湖大學李蘭研究員、北京大學胡小永教授、寧波大學戴世勛研究員等老師給予了該工作極大的支持。

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