超越人类直觉：算法设计的光子电路

赋能当今电信、大规模 AI 数据中心、量子技术等领域的超高速数据处理能力，得益于光子微芯片——这是一种微型化的半导体，其中光子而非电子通过微米宽的波导传输信息。

利用计算机算法，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）与马克斯·普朗克光科学研究所的研究人员，为光子微芯片开发出了三种新型功能性元器件。每个元器件的尺寸都比传统设计缩小了约 500 倍，为通往更高性能的集成光技术开辟了道路。该研究成果发表于《自然-通讯》。

光子微芯片由许多复杂的部件组成，从在光纤与波导之间传输光的光栅耦合器，到暂时存储光并增强芯片内部光强度的微小环形结构——环形谐振腔。每个组件的设计过程都既耗时又繁琐，工程师通常从熟悉的几何形状开始，然后在过程中逐步调整参数。

由 SEAS 电气工程助理教授杨起幼（Kiyoul Yang）与马克斯·普朗克研究所微光子学研究组组长帕斯卡尔·德尔海（Pascal Del’Haye）共同领导的研究团队，采用了一种被称为“逆向设计”的技术，打破了传统思路。他们将传统流程反转：首先指定希望光实现的功能，随后由计算机算法在由各种可能纳米结构构成的庞大空间中搜索能够精确达成该功能的结构。算法找到的形状往往看起来像是由孔洞和脊线组成的无规则图案，但它们却能在仅为人类头发丝宽度极小一部分的芯片区域内精确定向引导光线。

“当把制造现实条件融入优化过程时，逆向设计就具备了实用价值，”杨教授表示。“通过将最小特征尺寸以及对制造偏差的鲁棒性直接纳入算法本身，我们获得的设计不仅紧凑，而且与商业代工厂工艺完全兼容。”

器件设计与测试

团队将逆向设计应用于氮化硅材料——这是一种具有低光损耗的材料，同时有助于产生多种不同颜色的干净、类似激光的光。此前的研究方法主要集中于硅，近年来则扩展至金刚石、碳化硅和铌酸锂。

“厚氮化硅支撑着我们所研究的大多数高性能集成光子学，但迄今为止，其元器件库仅限于手工设计的方案，”德尔海表示。“这些紧凑的、经由计算机设计的元器件，是迈向更高密度集成的非线性和量子光子电路的重要一步。”

团队设计、制备并测试了三类器件：按光的颜色分离的波长分光器；将光分离至不同空间通道的空间模式分拣器；以及镜面。

作为其中一个示例，逆向设计的镜面跨度仅有几微米，能够反射高达 98.5% 的入射光，同时阻挡其他空间模式。成对放置时，它们能在芯片上形成片上光学谐振腔，光在逸出前会在镜面之间反弹 100 多次。

未来方向

下一步是将新开发的元器件与非线性光学电路相结合。在这些基础构件中，在芯片上循环的高强度光可以产生光频梳：即由许多等间隔的光颜色组成的精确光集合，广泛应用于精密测量、电信和量子技术中。

“逆向设计允许我们界定希望光做什么，而优化过程会找到能实现该功能的结构，这种结构通常是人类绝不可能画出来的，”该研究的共同第一作者、马克斯·普朗克研究所研究员Toby Bi表示。“令人兴奋的是，同一个设计框架可以在同一块芯片上完成三种截然不同的工作：按波长路由光线、按空间模式分拣光线，以及充当形成片上光学谐振腔的紧凑镜面。”

论文《逆向设计的氮化硅纳米光子学》由 SEAS 研究生埃格门·博斯坦（Egemen Bostan）、刘丹闲（Danxian Liu）、SEAS 研究员兼麻省理工学院电气工程与计算机科学系研究生阿迪蒂亚·保罗（Aditya Paul）以及博士后研究员曾天一（Tianyi Zeng）共同撰写。

该研究获得了美国国防高级研究计划局（DARPA，项目号 D23AP00251-00）和美国国防部研发副部长办公室（项目号 FA8721-05-C-0002）的资助。器件制备部分在哈佛纳米尺度系统中心（美国国家科学基金会资助号 No. 1541959）完成。

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原文：Algorithm-Designed Photonic Circuits Beyond Human Intuition