集成硅基光子学可以在许多应用中发挥关键作用，包括光互连和量子技术。利用光子学的优势之一是利用不同波长的光携带信息，以显著增加光纤或波导中的信息带宽。在这样的波分复用( WDM )系统中，波长解复用器被用来分离不同的信道。传统的解复用器，如环形谐振器阵列和阵列波导光栅，具有相当大的占地面积。纳米光子反向设计实现了更紧凑的器件设计，但先前反向设计的波长解复用器的实验演示仅实现了具有大信道间隔( > 100 nm )的两个信道的宽带解复用器。
应用文献中所述的制造约束优化过程，需要从一个良好的初始条件开始，因为优化景观是高度非凸的，有许多不希望的局部最优。因此，优化过程分为两个阶段。在第一阶段，作为连续优化，离散约束被放松，允许介电常数在氧化硅和硅之间连续变化。这个优化阶段提供了一种结构，它种子了第二阶段，制造约束的离散优化，顾名思义，它产生了可成型的，离散结构。在连续阶段，结构由2D图像参数化，其中图像的每个像素对应相应位置的器件介电常数。应用梯度下降法可以找到目标的局部最优解。在离散阶段，器件由空间连续的水平集函数参数化，其中器件在特定位置的介电常数取决于水平集函数的符号。水平集表示可以表征任意边界，并自然地处理孔洞的合并和分裂。类梯度下降的更新可以在水平集上进行，并且可以扩展到施加制造约束。不幸的是，直接应用梯度下降会导致具有介于两者之间的弱调制介电常数的结构，这导致在离散阶段性能较差的结构。
通过在优化过程中使用偏置技术，我们在SOI上设计并实验演示了一个间距为40nm的高效、紧凑、窄带的三通道波长解复用器( 1500、1540、1580 nm)，占用面积为24.75 μm2。该功分器的仿真峰值为- 1.55 dB，串扰小于- 15dB；实测峰值为- 2.29 dB，串扰小于- 10.7 dB。四个制造器件的一致性能表明设计对制造误差也是稳健的。我们期望类似的逆向设计技术可以用于设计具有更多信道和更小信道间隔的解复用器，同时保持与传统解复用器相比相对较小的占用空间。
L. Su, A. Y. Piggott, N. V. Sapra, J. Petykiewicz, J. Vučković, Inverse Design and Demonstration of a Compact on-Chip Narrowband Three-Channel Wavelength Demultiplexer. ACS Photonics 5, 301–305 (2018).
报告人：付朋
