近日，物理学院生化传感光学芯片实验室在集成光子器件的研究中取得进展，相关成果以“Inverse design of mid-infrared diamond waveguide beam splitter”为题目发表在国际知名物理类期刊《Optics Letters》上。论文第一作者为物理学院2021级电子信息专业硕士研究生李艺豪和陈述副教授，通讯作者为肖廷辉教授。郑州大学物理学院为论文第一单位。

金刚石由于其高达20μm的透明窗口，覆盖了整个分子振动指纹区域，因此在实现波长超过15μm的集成光子器件应用中展现出巨大潜力。然而，金刚石相对较低的折射率给设计具有小尺寸和高传输率的中红外金刚石器件带来了挑战。

本工作中，作者采用逆向设计的方法，设计了波长为 15 µm的中红外金刚石波导分束器。器件尺寸为15μm×15μm，总传输率高于95%。逆向设计基于梯度下降算法，可有效优化波导分束器输入和输出波导之间的介电常数分布，以实现 0 到 100% 之间的任意功率分配比。此外，作者还充分研究并定量分析了逆向设计算法对中红外金刚石波导分束器结构参数的依赖性。以上研究成果为设计紧凑、高效的中红外金刚石光子器件开辟了一条新途径。

图1 设计的悬浮波导分束器结构图

图2 中红外金刚石波导分束器不同功率分配比的实现

该工作得到了郑州大学启动基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1364/OL.526023