近日，南方科技大学深港微电子学院汪敬副教授课题组本科生在硅光芯片逆向设计领域取得两项研究进展。
工作1：紧凑型偏振不敏感氮化硅波导交叉
随着光子集成芯片规模增大，光信号需要在有限面积内完成大量互连，波导交叉成为不可避免的基础单元，其插入损耗与串扰会随着数量累积，直接影响链路预算。氮化硅平台损耗低、透明窗口宽，TE0与TM0两种基模对结构尺寸的响应差异较大；此前的低损耗方案多依赖多层过渡结构或大面积多模干涉结构，难以兼顾紧凑尺寸与双偏振性能。
针对上述问题，研究团队采用伴随法逆向设计，将交叉区域参数化为32个宽度变量和总长度 L，共33个独立变量，并以TE0、TM0在1500至1600 nm波段内10个采样波长的平均透射率之和作为目标函数，使算法同时优化两种偏振，优化后的器件尺寸仅为16.15 μm × 16.15 μm。三维时域有限差分仿真显示，两种模式均能平滑穿过交叉区域：该波段内TE0插入损耗保持在0.4 dB以下，TM0在中心波长处约0.38 dB，串扰分别被抑制在−44 dB 至−50 dB。
图 1 偏振不敏感氮化硅波导交叉的三维结构示意图和逆向设计过程
器件在标准200 mm的多层硅光CMOS工艺平台上面加工。通过测试包含5至30个交叉的级联电路并进行线性拟合，研究团队得到单个交叉的实测指标：TE0和TM0的插入损耗分别为0.25 dB和0.35 dB；在1500至1600 nm波段内，串扰分别低于−28 dB和−31 dB，最低可达−55 dB和−46 dB。在15 ℃至55 ℃的温度范围内，器件插入损耗没有明显漂移。
图 2 氮化硅波导交叉芯片的显微照片、测试链路及测试结果
与已有方案相比，该器件在如此紧凑的面积内同时支持两种偏振，尺寸远小于同等功能的多模干涉结构，也不需要额外的偏振分集电路或多层转接工艺，有望作为可复用的基础布线单元，应用于高密度光子集成芯片、数据中心光互连、多维复用与自由空间光传感等场景。
相关研究成果以“Compact polarization-insensitive silicon nitride waveguide crossing via adjoint-based inverse design”为题，发表于光学领域重要期刊Optics Letters，并被亚洲通信与光子学会议（ACP 2026）录用。论文独立第一作者为南方科技大学深港微电子学院本科生胡钰杭，汪敬副教授为通讯作者，南方科技大学为论文唯一完成单位。
工作2：紧凑型低折射率差多模光子反射器
片上反射器是光子芯片中的基础器件，可用于构建激光器、滤波器和光学谐振腔。对于氮化硅和铌酸锂等相对低折射率对比度的平台，材料边界对光的散射和相位调控能力相对有限，使器件小型化更具挑战。多模应用还要求反射器在将不同模式反射回原模式的同时，尽量抑制模式之间的相互转换。
针对上述挑战，研究团队将基模TE0和一阶模式TE1的反射响应统一纳入一个2 × 2反射矩阵，同时记录同模式反射信号和模式转换串扰。团队进一步引入动态权重机制，为表现较弱的模式分配更多优化权重，并将伴随拓扑优化与受制造规则约束的边界直接二元搜索相结合，在满足最小特征尺寸和最小间距等制造约束的条件下对结构边界进行局部调整。
图3 反射矩阵引导的混合逆向设计流程
三维时域有限差分仿真结果表明，该方法在氮化硅和铌酸锂平台上分别实现了设计区域为6 μm × 6 μm和4 μm × 4 μm的紧凑型双模反射器。经过边界优化，氮化硅器件的标称峰值反射率由−0.25 dB提升至−0.18 dB，铌酸锂器件由−0.21 dB提升至−0.17 dB，对应的峰值功率反射率均约为96 %。两种器件均支持TE0和TE1的同模式反射，并在工作窗口附近将模式串扰抑制到−20 dB以下。
图4 两种材料平台上双模反射器的仿真电场分布及反射光谱
该研究将多模式协同优化与受制造规则约束的边界修正相结合，为相对低折射率对比度平台上的紧凑型无源光子器件提供了一种设计方法，有望为多模谐振腔、模式复用光子电路及高密度片上光互连中的反射单元设计提供参考。
相关研究成果以“Reflection-Matrix-Guided Hybrid Inverse Design of Low-Index-Contrast Multimode Reflectors”为题，被ACP 2026 录用。论文独立第一作者为南方科技大学深港微电子学院本科生郝宇鑫，汪敬副教授为通讯作者，南方科技大学为论文唯一完成单位。
上述工作得到广东省科技厅、深圳市科创局等支持。这两项成果均由本科生担任第一作者，充分体现了南科大本科生在硅光芯片逆向设计研究中的科研能力与创新潜力。
