Nature综述：AI逆向设计赋能超表面与大规模光子系统

（开篇：传统光子设计往往依赖人工经验、手动调节参数以及直觉试错，这使得性能瓶颈难以突破；尽管逆向设计能够创造出性能卓越的非传统结构，但长期以来受限于器件尺寸偏小、难以在实验室外制备、难以与商业制造工艺兼容以及跨材料适配性差等问题，导致其难以实现规模化量产和系统级应用）

在过去的二十年中，光子逆向设计photonic inverse design已成为一种强有力的手段，用于制造性能更佳或具有新功能的光子器件。前十年里，研究重点主要在于大学实验室中的概念验证器件设计与制造；然而，在最近5到10年间，重心已转移至实现可扩展的光子系统。

近期，斯坦福大学的Louise Schul和Jelena Vučković团队在《Nature Reviews Materials》上发表了一篇综述文章，回顾了自2018年以来光子逆设计的颠覆性突破。文章从大规模3D逆设计、适配商用晶圆厂、跨材料及跨波段扩展、非线性与量子系统逆向设计这四个维度出发，构建了涵盖算法、仿真、制造到产业化的完整链条框架。

文章重点探讨了大规模三维光子逆向设计（特别是超表面）、逆向设计向商业代工厂及实用硅光子学的转化、在不同材料体系、波长和光学效应中的应用，以及量子系统逆向设计等新兴方向。

图1 | 基于伴随优化算法实现波导弯曲的光子学逆向设计。a，结构初始化为一个具有固定覆盖区和目标传输效率的黑盒结构。b，结构梯度通过两次电磁仿真计算得出：正向仿真和反向（伴随）仿真。该过程类似于人工智能中的反向传播。c，梯度下降算法在参数空间中进行高效搜索。d，实际器件需要施加约束条件，例如二元结构和最小特征尺寸。

图2：2019年以来逆向设计的进展。

根据仿真规模，逆向设计方法可分为：大规模逆向设计（大于20µm×20µm，或线度约为50λ/n及以上），中规模约为10–20µm，小规模则小于10µm。在大规模逆向设计工作中，超表面占据了主导地位。

超表面的逆向设计主要有三种方法：1）构建形状库所需的单个超原子仿真成本相对较低。然而，即便拥有预先建立的数据库，大面积超表面的设计仍受限于计算远场所需相位分布时的算力瓶颈。结合用于远场计算的快速近似求解器和伴随法，超表面相位分布逆向设计成功设计并实验演示了尺寸约为20,000λ的超表面光学元件（图2a）。利用一组超原子及其仿真场响应作为训练集，可以预测任意超原子的局域场。传统方法在计算上难以设计具有多个输出的超表面，但逆向设计使其成为可能。例如，将九幅全息图编码到单个超表面中，通过相位分布优化创建三维全息图；也可以利用伴随梯度法设计大数值孔径的消色差超透镜双合透镜、具有五种不同波长相关全息图的超表面双合透镜，以及用于数字分类的多层超表面光学神经网络。进一步扩展到更多维度，通过逆向设计的超表面复用器，实现多通道成像（深度、光谱或偏振），将波长间隔仅20nm的光在空间上分开（图2b）。其他方法则通过使用神经网络、遗传算法和耦合模理论，克服全波仿真的局限性。这些方法已被用于设计光学和太赫兹波段的大面积、高效率超表面。

超表面逆向设计的第二种方法是在单原子层面进行拓扑优化。可以设计出具有非直观几何形状的超原子，当周期性排列时，精确执行预定义功能，例如在吉赫兹频率下实现光束偏转和聚焦、偏振滤波、半波片和四分之一波片、产生任意光谱响应以及求解积分方程。大多数超表面设计方法忽略了不同形状超原子之间的相互作用，这限制了器件性能。一种利用表面梯度傅里叶分解的形状优化方法被开发出来，用于优化现有库中的超原子，仅允许对几何形状进行有利于制造的平滑修改。

最后，超表面逆向设计已超越相位分布优化和单元设计，扩展到对整个表面形貌的自由形式优化。这些方法包括：针对大面积超表面（10⁴–10⁵λ）的一维光栅优化、使用全波时域有限差分（FDTD）仿真和伴随法进行的三维超表面光学元件设计，以及针对完整超表面的专用求解器（如T矩阵法）。六层超表面光学器件在中红外波段实现了角动量和偏振分拣以及光谱滤波（图2c）。自由形式超表面逆向设计还实现了新功能，例如用于太赫兹成像的互补扫描透镜，以及重现人眼色觉的定制化空间和光谱响应。大口径自由形式三维超透镜（图2d）。

图3：面向商用硅光子代工厂的逆向设计工作流程。

图4：量子逆向设计。