IEDM2024：逆向设计的应用

主要观点总结

本文介绍了集成光学在多个领域的应用及其追求极致性能的过程，包括从传统的光子学设计方法到逆向设计方法的转变。文章还描述了基于逆向设计的波长和模式解复用器、光学互连系统芯片版图等技术的细节，并探讨了其在量子计算中的应用。文章还提及了谷歌最新量子芯片Willow的突破及量子光子集成技术的显著进步。

关键观点总结

关键观点1: 集成光学成为多个领域的核心技术

集成光学在光通信、生物传感器、激光雷达、数据中心光纤互连和量子计算等领域都有广泛应用，为了追求极致性能，研究人员不断尝试新的方案。

关键观点2: 逆向设计方法的优势

逆向设计方法可以根据算法搜索所有可能的几何形状，实现最优设计，在许多指标上比传统结果要好得多。基于GPU的快速求解器与基于梯度下降的优化算法相结合，可以有效地完成这种搜索。

关键观点3: 逆向设计在光学器件中的应用

文章描述了基于逆向设计的波长和模式解复用器、光学互连系统芯片版图等技术。逆向设计还应用于制作反向设计的MDM器件、多模分路器等，实现了高性能和低损耗。

关键观点4: 量子计算中的集成技术

集成技术在量子计算中扮演关键角色，从几个量子位原型发展到数万个量子位。文章提及了谷歌的最新量子芯片Willow的突破，以及量子光子集成的显著进步和其在量子计算中的应用。

文章预览

    集成光学是许多经典技术的核心，从光通信到生物传感器、激光雷达、数据中心光纤互连和量子计算。     为了追求集成光学的极致性能，研究人员不断尝试新的方案。     从传统的光子学设计方法出发，逆向设计方法可以根据算法搜索所有可能的几何形状，实现最优设计，在许多指标（更小，更高效，更鲁棒性）上比传统结果要好得多。基于GPU的快速求解器与基于梯度下降的优化算法相结合，可以有效地完成这种搜索。     下图显示基于逆向设计的波长和模式解复用器。波长解复用器比传统器件至少小一个数量级，同时对温度变化和制造误差具有鲁棒性。模式解复用器可以在宽波长范围内实现该功能，具有高效率和串扰抑制（传统方案无法实现）。     下图是光学互连系统芯片版图。虽然最初的逆向设计集中在单个小尺寸器件上 ………………………………