Advanced Optical Materials:基于智能算法的偏振路由纳米器件

以光子为信息载体的微纳全光器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有着广泛的应用。光偏振路由纳米器件能够将入射不同偏振分开并使之各自传播到不同的输出端口,是一种重要微纳全光器件。随着信息技术和大数据时代的发展,对片上集成光子器件的集成度要求越来越高,要求器件尺寸更小、带宽更大、损耗更低等。传统纳米光子器件的设计依赖于人类经验以及物理启发的方法。在优化结构参数时需要大量的计算资源和较长的时间,优化过程受已有模型现在存在的局限性,难以满足越来越高的集成要求,限制了此类器件的进一步发展和实际应用。

近期,北京理工大学物理学院路翠翠研究员与北京大学物理学院胡小永教授等人,提出了一种设计微纳全光器件高效通用的智能算法,他们将有限元方法与遗传算法结合,成功设计了具有不同工作波段、不同结构、不同材料、易于制作和集成全光偏振路由器,在实验上实现了国际上尺寸最小的片上光偏振路由纳米器件。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201902018)上。利用算法对纳米光子学器件进行设计,可以在不需要已知物理模型只有初始猜测的情况下,通过在全参数空间寻优来获得预期的光子功能。基于该智能算法,可以很方便快速地设计由任意线性光学材料(介质和金属等)、不同结构以及不同结构单元数量或尺寸组成的各种偏振路由器,并且可以方便地调整工作波段。实验上在1150 nm左右实现的硅基偏振路由器的尺寸仅为970 nm × 1240 nm,是逼近光学物理极限的最小尺寸,测得的透过率均达到了85 %。同时,基于该智能算法实现的不同偏振模式的无序光栅耦合器, TE和TM模式的耦合效率分别达到了42.2 %和28.5 %。该工作为纳米光子偏振路由器的实现提供了一个通用的平台和方便的方法,也为微腔全光器件的设计和实现提供了高效的通用设计方法,将极大地促进片上纳米光子器件高密度集成应用。

相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科学技术委员会、北京理工大学等的资助。