薄膜铌酸锂（TFLN）凭借其优异的光学非线性、电光特性及高折射率对比度，已成为新型集成光电子芯片的重要平台。传统正向设计通常基于经验或简化模型，难以探索全参数空间的最优解，对一些不能通过经验判断的复杂问题也难以进行建模求解。近年来，逆向设计在硅基光电子集成芯片（如图1）中得到了广泛应用，同时也逐渐被引入薄膜铌酸锂光子器件的设计。
图1 基于逆向设计的光子器件
据麦姆斯咨询报道，光子传输与通信全国重点实验室与上海交通大学的科研团队总结了基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件的研究进展。该研究首先介绍了逆向设计的基本原理，然后阐述了逆向设计在薄膜铌酸锂光子器件中的应用，最后对当前研究中的技术挑战和未来发展方向进行了简要展望。这项研究旨在为基于逆向设计的高性能、多功能薄膜铌酸锂光子器件的深入研究提供参考，为相关领域的研究人员提供全面的技术背景和研究思路，推动逆向设计在薄膜铌酸锂光子器件设计及性能优化中的应用。相关研究内容以“基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件研究进展”为题发表在《宁夏大学学报（自然科学版中英文）》期刊上。
逆向设计的原理
传统正向设计方法依赖于物理直觉和解析推导。然而，随着器件功能复杂度的提升，这种基于人工经验的方法面临诸多局限，例如：复杂问题难以通过解析方法求解；无法满足多目标约束；非直观问题难以预先建模；多波长、偏振、角度功能的协同优化困难等。逆向设计通过将物理问题转化为数学优化问题，并利用优化算法进行自动优化，从而突破了这些限制。
逆向设计的流程包括以下4个关键步骤：（1）初始化。定义由可调参数x组成的器件或模型；（2）建立目标函数；（3）优化算法；（4）输出。目前用于逆向设计的算法已经有很多种，如直接二进制搜索法、梯度下降法、伴随法、遗传算法、粒子群优化算法、蚁群优化算法和深度神经网络等。
逆向设计在TFLN光子器件中的应用
波长解复用器
以波长解复用器为例，Lü等针对传统逆向设计方法无法处理各向异性材料光学特性的难题，提出了一种结合张量介电常数建模与伴随方法的优化框架。传统标量逆向设计方法因忽略晶体方向依赖的折射率差异，导致器件性能严重偏差。为解决这一问题，研究团队首次将介电常数扩展为三维张量形式，在时域有限差分（FDTD）仿真中独立处理各方向分量，并通过改进的伴随方法计算目标函数的梯度，优化设计区域内介电张量的空间分布。同时，引入Heaviside滤波器实现结构二值化，以生成可制造器件。为验证该方法的有效性，研究人员设计了16 μm × 16 μm的四通道波长解复用器（工作波段1510 ~ 1580 nm），如图2所示。
图2 16μm×16 μm四通道波长解复用器
耦合器
在光栅耦合器领域，Xie等报道了一种基于逆向设计方法的高效宽带低损耗光栅耦合器的设计与实验验证，该耦合器在700 nm厚的Z切TFLN平台上实现。传统均匀周期光栅耦合器在厚层平台上存在效率低、带宽窄的问题，而引入底部反射或金属覆盖的改进方案则会破坏平台的兼容性。通过逆向设计方法，Xie等突破了这些限制，兼顾了高耦合效率、宽带性能和工艺可行性。实验制备方面，研究团队在700 nm厚的TFLN上通过电子束光刻和氩离子刻蚀实现了450 nm深的光栅结构，并采用RCA清洗工艺降低侧壁粗糙度，如图3所示。在测试中，使用可调谐激光器（1500 ~ 1640 nm）和偏振控制器测量光纤到光栅的耦合效率。
图3 光栅耦合器的扫描电子显微镜（SEM）图片
He等报道了一种基于逆向设计的低损耗、高带宽X切薄膜铌酸锂光栅耦合器，如图4所示。针对TFLN平台中波导模式与光纤模式失配的关键问题，研究团队采用基于伴随优化的逆向设计方法，突破了传统参数扫描和遗传算法时间成本高、自由度受限等局限性。除了直接刻蚀铌酸锂来制备光栅耦合器，还可以通过薄膜铌酸锂与其他材料结合制备耦合器，从而将光耦入铌酸锂波导中。Wei等报道了一种基于逆向设计的高效宽带超表面耦合器，该耦合器在薄膜铌酸锂平台上实现，旨在解决自由空间光与芯片系统任意位置宽带耦合的挑战，如图5所示。传统的光栅耦合器和端面耦合器存在带宽有限、效率低或位置灵活性差等问题。而该研究通过结合超表面技术和逆向设计优化，开发了一种新型超表面耦合器。
图4 基于逆向设计的低损耗、高带宽X切薄膜铌酸锂光栅耦合器
图5 基于逆向设计的宽带超表面耦合器示意图
模式转换器
Kwon等报道了基于逆向设计的TFLN模式转换器，如图6所示，并实现了高效光子对生成的实验研究。研究人员通过三维伴随优化算法设计了一种紧凑的TFLN模式转换器，该器件能够在1550 nm波段将基模（TE00）高效转换为775 nm波段的高阶模（TE20）。
图6 基于逆向设计的薄膜铌酸锂模式转换器
片上互连器件
复杂互连需要低损耗波导结构。针对复杂互连器件的设计，2023年Shang等报道了一种面向TFLN纳米光子器件的逆向设计方法，成功突破了传统设计方法的局限，并实验验证了多种高性能器件的可行性。研究团队基于该框架设计并制备了3种片上互连器件：交叉波导、模式复用器和紧凑型弯曲波导，如图7所示。
图7 3种片上互连器件的SEM图像
功率分束器
Xu等报道了一种基于智能算法设计的超紧凑铌酸锂功率分束器，如图8所示。该设计旨在解决传统设计方法在TFLN平台中器件尺寸过大、难以实现高密度集成的问题。
图8 基于智能算法设计的超紧凑铌酸锂功率分束器示意图
阵列波导光栅
Wang等提出了一种高效的逆向设计方法。该方法结合了反向传播神经网络（BPNN）与粒子群优化（PSO）算法，用于阵列波导光栅（AWG）的优化设计，如图9所示。AWG作为密集波分复用（DWDM）系统中的关键无源器件，其传统设计方法依赖于物理模型的正向仿真，存在参数空间大、计算耗时长的问题。而逆向设计方法能通过直接根据目标光学响应反推结构参数，能够显著提升设计效率。
图9 阵列波导光栅（AWG）结构示意图
反射镜
Wei等报道了一种基于逆向设计的片上反射器，并将其应用于增强掺铒铌酸锂波导放大器的性能，实现了显著的增益提升。研究团队在3.6 cm长的掺铒铌酸锂波导末端集成了一种通过逆向设计优化的空气孔反射器，如图10所示。该器件针对1531.6 nm信号波长进行了优化，采用遗传算法对空气孔的位置和尺寸进行了智能优化。与传统布拉格反射器相比，逆向设计使反射率提升了14%，达到0.49，同时展现出优异的工艺容差。
图10 实验装置示意图（PC：偏振控制器，WDM：波分复用器，OSA：光谱分析仪）
技术挑战与未来发展方向
技术挑战
目前，实验上成功实现的基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件主要包括光栅耦合器、模式转换器和片上互连器件（如交叉波导、模式复用器和紧凑型波导弯曲）。而仅在仿真层面验证的器件则包括功率分束器、波长解复用器、阵列波导光栅等。尽管已取得显著进展，基于逆向设计的薄膜铌酸锂（TFLN）光子器件的发展仍面临以下核心挑战。
（1）制造工艺限制（侧壁倾角问题）。当前TFLN刻蚀工艺普遍存在侧壁倾角（非垂直侧壁），这对逆向设计构成了显著限制。当设计结构单元尺寸过小时，实际刻蚀形成的微结构深度较浅，对光场调控作用有限；若采用过大的设计单元，则可能牺牲逆向设计探索最优结构的潜力，导致器件性能下降。具体的改进方案可深入探讨以下技术路径：1）高精度刻蚀工艺优化；2）原子层沉积（ALD）技术；3）机器学习辅助工艺优化。
（2）计算效率瓶颈。逆向设计过程涉及大量的电磁场仿真迭代，计算开销巨大。对于尺寸较大或涉及复杂物理效应（如非线性、电光效应）的器件，这一问题尤为突出。解决之道在于开发更高效的优化算法（如改进的伴随法、迁移学习），利用高性能计算（HPC）或云计算资源，以及探索基于深度学习的替代模型（surrogate model）来加速正向性能预测。
未来发展方向
相对于硅基平台已经实现的丰富多样的逆向设计光子器件，薄膜铌酸锂（TFLN）平台上的逆向设计应用仍处于起步阶段，蕴含着巨大的发展潜力，未来还有许多可以发展的方向。（1）器件类型拓展。（2）高性能电光调制器。
逆向设计还用于提升转换效率，设计用于和频产生（SFG）、差频产生（DFG）或光学参量振荡（OPO）的波导结构。通过逆向设计实现超宽相位匹配带宽和高效率转换，这些结构应用于波长转换或频率梳生成。此外，利用逆向设计精确调控波导或微腔的色散特性（如群速度色散、高阶色散），为高效非线性光学过程（如孤子光频梳产生、超连续谱产生）或量子态操控提供理想的光学环境。未来，随着薄膜铌酸锂（TFLN）刻蚀工艺的不断进步（如侧壁接近垂直）和计算设计方法的持续创新，逆向设计有望在TFLN光子集成领域释放更大潜力。这将推动实现性能更高、功能更复杂、集成度更高的下一代光电子芯片，并在光通信、光计算、量子信息处理和传感等领域发挥重要作用。
论文信息：
DOI: 10.20176/j.cnki.nxdz.000115
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