基于超材料单元的逆向设计实现超紧凑型宽带光斑尺寸转换器

《Laser & Photonics Reviews》：Ultra-Compact Broadband Spot Size Converter Using Metamaterial Cell-Based Inverse Design

亚波长超材料逆设计法实现紧凑型高带宽波导转换器，7.2μm长度下实现24倍光束扩展，插入损耗0.8dB，160nm带宽，超越现有技术。

　　在硅光子学领域，随着其应用范围从传统的数据通信（datacom）拓展到新兴的光学输入/输出（optical I/O）、量子光子学和可编程光子学等方向，对高性能、超紧凑且低损耗的光子器件需求日益增长。这些新应用场景通常需要集成大量光学组件的光子集成电路，而传统设计方法在满足这些需求方面面临诸多挑战。例如，为了保持光信号的稳定传输，传统的光子器件往往需要较大的尺寸，导致整体占用空间增加，这在高密度集成系统中成为限制因素。因此，如何在保持器件性能的同时大幅缩小尺寸，成为当前研究的一个关键课题。

为了应对这一挑战，研究人员提出了结合逆向设计（inverse design）和子波长超材料（subwavelength metamaterials）的新型设计方法。逆向设计是一种通过数值优化几何结构来实现特定性能的策略，它能够在没有依赖于物理模型的前提下，设计出尺寸非常紧凑的器件。然而，这种方法通常涉及大量的参数空间，导致计算复杂度高，限制了其在复杂结构中的应用。相比之下，基于子波长超材料的结构能够通过物理建模来精准控制光的传播特性，展现出更优异的性能，例如低插入损耗、宽波段响应和更短的尺寸。但这类结构的设计依赖于设计师的创造力和经验，难以灵活应对复杂结构的需求。

因此，本研究提出了一种融合逆向设计和子波长超材料的创新方法。该方法将设计区域划分为多个单元（cells），每个单元内包含一种子波长超材料。通过这种方式，不仅显著减少了需要优化的参数数量，还利用了超材料的固有各向异性特性，使器件在更短的长度内实现更高效的光信号转换。该设计方法的核心在于将复杂的光子结构简化为多个可优化的单元，每个单元可以独立调整其尺寸和对应的等效超材料特性。这种分层设计策略使得计算过程更加高效，同时也为后续的3D结构优化提供了可靠的起点。

在实验部分，研究人员使用这种设计方法制造了一个超紧凑的光束尺寸转换器（spot size converter, SSC），其长度仅为7.2微米，能够在160纳米的波段范围内实现小于0.8分贝的插入损耗。这一性能指标远优于目前最先进的同类器件。此外，通过模拟还发现，使用更复杂的81单元结构可以进一步降低插入损耗至0.2分贝，覆盖更宽的波段范围（300纳米）。这一结果表明，该设计方法不仅适用于简单的结构，还可以扩展到更复杂的器件设计中，从而满足未来更高集成度的需求。

在设计过程中，研究人员采用了分阶段优化策略。首先，利用二维（2D）仿真技术对所有单元进行初步优化，这一步骤能够快速探索设计空间，同时减少计算资源的消耗。随后，通过三维（3D）全波仿真进一步优化每个单元的几何结构，确保其在实际制造中能够实现预期的光学性能。这种两阶段的方法不仅提高了计算效率，还确保了最终设计在物理实现上的可行性。

为了确保器件在实际应用中的性能，研究人员在实验中使用了电子束光刻（electron beam lithography）技术进行制造，并通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）对器件进行了表征。实验结果表明，该设计在实际中表现出良好的性能，其传输特性与模拟结果高度一致。此外，通过与传统线性渐变波导（linear taper）的对比实验，研究人员进一步验证了其设计的优越性。传统线性波导虽然在某些波段内具有较低的插入损耗，但其长度通常达到500微米以上，而本设计的SSC长度仅为7.2微米，实现了尺寸上的显著缩减。

从性能指标来看，该设计的插入损耗、波段宽度和尺寸之间的平衡达到了前所未有的水平。例如，在160纳米的波段范围内，该SSC能够实现低于0.8分贝的插入损耗，而目前最先进的器件通常在100纳米波段内表现出类似的性能。同时，其长度仅为传统器件的十分之一，使得它在空间受限的应用场景中具有极大的优势。这种性能的提升不仅得益于超材料的各向异性特性，还归功于逆向设计的灵活性和高效性，两者结合使得设计在保持低损耗的同时实现了更紧凑的结构。

在实际应用中，该SSC可以用于连接单模波导和光栅耦合器，这种连接在人工智能（AI）系统的高速光学通信中尤为重要。此外，由于其宽带特性，该器件也可以适用于量子光子学和可编程光子学等新兴领域。这些应用通常需要在极小的空间内集成多种光学功能，而该SSC的设计方法正好满足了这一需求。通过使用超材料结构，该器件不仅能够实现高效的模式转换，还能在多个波段内保持稳定的性能，这为未来的多功能光子器件提供了新的思路。

为了进一步验证该设计的可行性，研究人员还进行了与其他结构的对比实验。例如，通过将该SSC与传统的渐变波导进行比较，发现其在相同波段内表现出更低的插入损耗，同时具有更小的尺寸。此外，通过实验测量和模拟预测的对比，研究人员发现实际制造中存在一些微小的误差，这些误差主要来源于制造过程中的不完美性，但并未显著影响整体性能。这一结果表明，该设计方法具有良好的鲁棒性，能够适应实际制造中的细微变化。

此外，该研究还展示了其设计方法在不同波段和不同结构配置下的适应性。例如，通过改变单元的数量和排列方式，研究人员能够设计出适用于更宽波段范围的器件。这种灵活性使得该方法可以广泛应用于多种光子器件的设计中，而不仅仅局限于SSC。因此，该研究不仅为SSC的设计提供了新的思路，也为其他类型的光子器件的优化设计开辟了新的路径。

综上所述，这项研究提出了一种结合逆向设计和子波长超材料的创新设计方法，成功实现了超紧凑、低损耗且宽波段的光束尺寸转换器。该设计在尺寸、性能和制造可行性方面均表现出显著的优势，为未来高密度集成光子系统的开发提供了有力的技术支持。随着硅光子学技术的不断进步，这种结合物理建模和数值优化的方法有望在更多光子应用中发挥重要作用，推动光子学器件向更小、更高效的方向发展。