全文阅读精要

1. 研究背景与动机：

• 传统波分解复用器（如阵列波导光栅）在光纤通信中应用广泛，但尺寸较大。

• 随着光学与人工智能技术的融合，传统设计方法已无法满足现代科技对高集成度、超小尺寸及高性能的需求。

• 智能逆向设计方法应运而生，成为设计领域的主流趋势。

2. 研究目的：

• 通过引入序列二次规划（SQP）算法，设计超小超密集的波分解复用器。

• 提供一种片上微纳器件设计的新思路，满足尺寸小、插损低、稳定性好的要求。

3. 设计方法与原理：

• 使用SQP算法结合有限元法进行结构优化，通过梯度惩罚因子使离散介质梯度化。

• 辅以插值、整形和二值化等技术手段简化结构，移除过渡介质，实现界面介质的二值化。

• 设置全局优化目标函数，通过调整调节系数保证各输出端竞争均衡。

4. 设计结果与性能分析：

• 设计了密集树形四通道波分复用器，尺寸为1.5 μm × 1.8 μm，分束波长为800、900、1000、1100 nm，平均传输效率达到83.3%。

• 设计了异向输出四通道波分复用器，尺寸为1.5 μm × 1.5 μm，分束波长为790、890、990、1090 nm，平均传输效率为81.2%。

• 设计了十字型三通道波分复用器，尺寸为1.5 μm × 1.5 μm，分束波长为770、870、970 nm，平均传输效率为87%。

• 设计了T型双通道波分复用器，尺寸为1.5 μm × 1.5 μm，分束波长为790、810 nm，传输效率均为100%。

5. 性能优势：

• 所有设计的波分复用器尺寸均为目前报道中最小的，且性能达到或超过同类波分器。

• 器件内部精细结构的粒度大约在百纳米量级，远低于当前硅片蚀刻工艺的精度要求。

• 设计方法突破了传统设计方法的局限，对硬件需求较低，鲁棒性好，适用于片上集成光路。

6. 应用前景：

• 该智能逆设计方法为微纳光子器件的设计提供了一种新思路，有望推动光子芯片技术的发展。

• 设计出的波分复用器在光通信、光学传感等领域具有潜在的应用价值。