研究人员借助逆向设计算法，研发出氮化硅光子器件，其尺寸仅为传统设计的1/500。
如今支撑通信网络、大型人工智能数据中心、量子技术等领域超高算力数据处理能力的核心载体，是光子微芯片。这类微型半导体不靠电子传输信息，而是依靠光子在微米级波导中完成信号传递。
哈佛大学约翰・A・保尔森工程与应用科学学院（SEAS）及马克斯・普朗克光科学研究所的研究人员借助计算机算法，研发出三款光子微芯片新型功能器件。每款器件体积仅为传统设计的1/500，为高性能集成光子技术开辟了全新研发路径。
相关研究成果已刊发于《自然・通讯》，论文标题为《Inverse-designed silicon nitride nanophotonics》。
一枚光子微芯片与10欧分硬币同框用于尺寸参照，芯片上集成数百个逆向设计光子器件。特写图展示了计算机生成的纳米结构、分光器、模式分选器与反射镜；左侧示意图演示了各类器件如何高密度集成，在单颗芯片上搭建完整集成光子光路。来源：Tony Bi / MPL
光子微芯片由大量精密元器件构成：光栅耦合器负责光纤与波导之间的光信号转接；环形谐振器是微型环状结构，可在芯片内暂存光线、提升光场强度。传统元器件设计流程耗时繁琐，工程师通常从成熟几何结构入手，反复调试各项参数。
该研究团队由哈佛大学SEAS学院电气工程助理教授Kiyoul Yang牵头，采用逆向设计技术打破传统研发思路。研究团队颠倒传统设计流程，先明确光线需要实现的功能，再通过计算机算法在海量纳米结构方案中筛选出满足对应功能的构型。算法生成的结构往往布满不规则孔洞与凸起，但能在远细于人发丝的极小芯片区域内精准调控光路。
“将实际制造工艺约束纳入优化算法后，逆向设计才具备落地实用性。”该研究联合负责人Kiyoul Yang表示，另一联合负责人为马克斯・普朗克光科学研究所微光子学课题组组长Pascal Del’Haye。“我们在算法中限定最小工艺尺寸，并保证结构耐受量产工艺偏差，最终得到的器件不仅体积小巧，还能适配商用晶圆厂生产流程。”
器件设计与测试
研究团队将逆向设计技术应用于氮化硅材料。氮化硅光损耗极低，还可生成多色纯净类激光光源。过往逆向设计研究大多聚焦硅基材料，近期才逐步拓展至金刚石、碳化硅、铌酸锂等材料。
“厚膜氮化硅是绝大多数高性能集成光子系统的核心基底，但在此之前，氮化硅元器件库仅有人工手动设计的器件。”Pascal Del’Haye说道，“这批由计算机生成的微型元器件，是搭建更高集成度非线性光子光路、量子光子光路的关键一步。”
团队完成三类器件的设计、流片制备与性能测试：分光器，用于分离不同波长光束；空间模式分选器，将光束划分至不同空间传输通道；以及光子反射镜。
以逆向设计反射镜为例：器件尺寸仅数微米，光线入射反射率最高可达98.5%，同时可阻隔其余空间模式光束。将两片反射镜成对布置，即可在芯片内部构建光学谐振腔，光线会在两片镜面之间往复反射超百次后才逸出腔体。
光子器件迭代设计流程：器件结构经过多轮计算机优化迭代逐步成型。来源：Aditya Paul
未来研发方向
研究团队下一步计划将全新研发的微型元器件与非线性光路集成。在该套集成模组中，芯片内循环的高强度光束能够生成光频梳——由大量等间距单色光构成的高精度光源，广泛应用于精密测量、通信与量子技术领域。
“逆向设计的核心优势在于，我们只需定义光线需要实现的功能，优化算法就能自主匹配对应的纳米结构，很多构型完全超出人工绘图的想象。”本论文共同第一作者、马克斯・普朗克光科学研究所研究员Toby Bi表示，“令人振奋的是，这套逆向设计框架可在同一块芯片上实现三类完全不同的功能：按波长分配光路、按空间模式分选光束，还能制作微型反射镜，用于构建片上光学谐振腔。”
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