基于粒子群算法的片上光子器件智能设计
随着社会的发展和科学技术的进步，人们对信息服务的需求量与日俱增，信息通信网络面临着巨大挑战。作为构成光通信系统与网络的核心，光电子器件的性能在一定程度上决定着系统和网络的技术水平。传统的分立光电子器件尺寸较大，互连产生极高的能耗，严重限制了器件的集成度和系统网络的运行速度。硅基片上光学器件具有尺寸小、功耗低、适合大规模集成、与CMOS技术兼容等显著优势，是未来解决芯片功耗以及系统网络速率问题的重要途径，在新一代光通信、光互连和光信息处理中有广阔应用前景。
因此，如何实现尺寸更小、集成度更高、处理速度更快、功耗更低的硅基全光逻辑门，以及功能复杂、性能稳定的硅基全光逻辑单元成为当前面临的重要挑战。近年来，一种新兴的“逆向设计”方法成为片上光学器件的研究热点。逆向设计的方式利用数学优化和电磁计算理论，在无限的结构参数空间内寻找满足目标性能的器件结构。逆向设计出来的器件理论上可以拥有任意的尺寸和形状，这使其在光电集成中具有无可比拟的优势。逆向设计的思路是由器件的目标功能使用优化算法来设计结构，设计原则只是基于麦克斯韦方程组而不受限于更加具化的特定解析理论，这就大大增加了器件结构的可能性。由于逆向设计的器件尺寸极小，对波导耦合要求较低；另外，逆向设计可以限定输入输出的相位，且对于相位失和有一定的容忍度。因此，逆向设计的思想有望突破常规光学器件的设计框架，为实现极小尺寸、极高集成度、处理速度极快和功耗极低的全光逻辑门及功能复杂、性能稳定的全光逻辑单元提供了一条可行途径。
目前国际上在硅基片上光学器件的逆向设计方面已经取得较多进展。2015年犹他大学B. Shen等利用基于直接二进制搜寻算法（DBS）的逆向设计思想，使用有限时域差分（FDTD）方法设计出尺寸仅为2.4×2.4 μm2 的硅基片上偏振分束器；同年，斯坦福大学A. Y. Piggott等基于凸函数优化思想和有限频域差分（FDFD）方法设计出高集成度的硅基片上波长分束器；2018年，美国佐治亚理工学院刘兆成小组成功利用生成对抗神经网络实现了对超表面材料的逆向设计。
国内在光学器件的逆向设计方面仍处于起步阶段。2018年，华中科技大学张敏明团队设计出大带宽的多模光功分器，可以在1520-1580nm波长范围内对TE0和TE1两种模式光按50：50比例进行分波；同年，中国科学院半导体研究所杨林团队成功实现了片上光模式转换器的逆向设计，模式转换效率均高于70%，在分别利用OOK和PAM-4情况下，数据传输率可达40 Gbps和25 GBaud。同年，申请人所在北京邮电大学团队基于粒子群算法设计出硅基片上偏振分束器，工作带宽为1528-1567 nm，在1550 nm处不同模式光传输效率可以达到61%（TE）和52%（TM）且消光比均高于10 dB。
