通讯员：卢隆辉

超构波导是一类集成了具有特定功能性亚波长结构的、用于约束和引导电磁波在特定结构中传输的波导结构，可通过控制亚波长尺度下的微观结构来对电磁波的相位、偏振、传输等宏观特性进行灵活的控制。基于这些特点，超构波导将有望革新集成光学，作为纳米光学、超构光学、与纳米科技等交叉领域的代表之一，为片上光信息处理、光互连、光通信，以及生化探测、成像、传感、人工智能等领域催生更多尺寸小、可调控、多功能的光电子器件。

近期，我院张敏明教授与清华大学肖起榕副教授、复旦大学的孙树林教授等联合在国际顶尖期刊《Nature》子刊Light: Science & Applications（影响因子：17.782，Light Sci. Appl. 2021, 10, 235）撰文，以“超构波导器件”为主线，发表题为“Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond”的综述文章，张敏明教授为论文的共同通讯作者，博士生卢隆辉为论文的共同一作。该综述文章总结了近年来将超构光学等概念，应用到介质光波导、光纤与金属波导平台中，对自由空间光场、波导光场（导模）、以及表面波模式的耦合、激发、传输、探测等进行控制，进而研究产生的新型光电子器件、系统及其应用。对于有望了解超构波导的特点、分类、设计、应用等领域的研究具有指导意义。

按照设计方法来分类，超构波导可以通过正向设计法（基于物理与经验的方法）来设计，也可以通过反向设计法（基于各类计算机优化算法）进行设计。对于正向设计的超结构波导，研究者一般从超构单元出发，先分析设计超结构阵列的特性，再将其与特定的波导平台相结合，对设计参数进行微调，进而设计出超结构波导器件。对于反向设计法而言，则一般先从希望实现的器件功能出发，然后确定目标函数，再借助计算机算法进行对其进行优化，最后获得对应的器件结构。

逆向设计的超构光子器件通常分为“模拟型”和“数字型”两类亚波长结构。前者的单元结构（像素）尺寸精细，刻蚀图案通常具有“任意”弯曲的复杂边界；其逆向设计自由度高，理论上可以实现高质量的设计目标，但器件性能受工艺误差影响较大。后者的像素尺寸一般大一个数量级左右，刻蚀图案的轮廓是较为规则的矩形或圆形；其逆向设计可以采用更为简单的优化算法获得性能优良的器件，且工艺容差大，更易于制造。

张敏明教授团队长期从事超构波导逆向设计研究。该课题组首次提出“类光子晶体”的数字型亚波长结构，从机理层面有效抑制工艺误差对性能的影响，为突破亚波长结构器件对工艺误差敏感的应用瓶颈做出了积极有效的尝试（Opt. lett. 2016, 41, 21）。此外，针对逆向设计方法因机理不明效率低下的关键技术难题，该课题组首次提出物理模型辅助的高效逆向设计方法，该方法获学术界广泛关注与应用，基于此方法该课题组逆向设计了一系列高性能、国际领先超小尺寸的片上光互连光子器件（Opt. Exp. 2017, 25, 15；Opt. Exp. 2018, 26, 7；Opt. Exp. 2018, 26, 18；Photon. Res. 2018, 6, 7；IEEE Photon. J. 2018, 10, 4；Opt. Exp. 2020, 28, 19）。针对常规伴随法无法应用于数字型光子器件的逆向设计问题，该课题组首次提出并验证了一种新颖的数字化伴随法，该方法利用了灵敏度分析高效率和数字亚波长结构易制造的优点，不仅可以克服常规暴力优化算法的效率瓶颈，还将传统的二值化数字亚波长结构扩展到多值化结构，进一步减小了器件图案数字化过程中的性能衰退，获取更佳性能；相较于典型的暴力优化算法，数字化伴随法设计效率提高了近5倍，并实现了同等良好的器件实验性能（Photon. Res. 2020, 8, 4）。该系列工作对于促进超构波导设计自动化具有重要的科学意义和应用价值。

论文信息：

Y. Meng, Y. Chen, L. Lu, et al, “Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond,” Light: Science & Applications (2021) 10:235.

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00655-x