人間の発想を超えるフォトニック回路をアルゴリズム設計(Algorithm-Designed Photonic Circuits Beyond Human Intuition)

2026-07-24 ハーバード大学

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院(SEAS)とマックス・プランク光科学研究所の研究チームは、人間の発想に頼らずアルゴリズムが設計する**逆設計(Inverse Design)**を用いて、従来より最大約500倍小型のシリコンナイトライド製フォトニック回路部品を開発した。研究では、実現したい光の振る舞いを最初に設定し、アルゴリズムが膨大なナノ構造候補から最適形状を探索する手法を採用した。製造上の制約も設計段階に組み込むことで、商用ファウンドリで製造可能な波長分波器、モードソーター、反射率98.5%の超小型ミラーを実現した。これらの部品は高密度集積化を可能にし、非線形フォトニクスや量子フォトニクス回路の性能向上に寄与する。今後は光周波数コムを生成する回路との統合を進め、光通信、AIデータセンター、精密計測、量子情報処理など幅広い分野への応用が期待される。

人間の発想を超えるフォトニック回路をアルゴリズム設計(Algorithm-Designed Photonic Circuits Beyond Human Intuition)
A photonic microchip, next to a 10-euro-cent coin for scale, containing hundreds of inverse-designed components. The close-up images show computer-designed nanostructures, wavelength splitters, mode sorters, and mirrors. The left illustration shows how such devices could be combined and densely packed into integrated photonic circuits on a chip. Credit: Tony Bi / MPL

<関連情報>

逆設計型窒化ケイ素ナノフォトニクス Inverse-designed silicon nitride nanophotonics

Toby Bi,Shuangyou Zhang,Egemen Bostan,Danxian Liu,Aditya Paul,Olga Ohletz,Irina Harder,Yaojing Zhang,Alekhya Ghosh,Abdullah Alabbadi,Masoud Kheyri,Tianyi Zeng,Jesse Lu,Kiyoul Yang & Pascal Del’Haye
Nature Communications  Published:28 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73390-9

Abstract

Silicon nitride photonics has enabled integration of a variety of components for applications in linear and nonlinear optics, including telecommunications, optical clocks, astrocombs, bio-sensing, and LiDAR. With the advent of inverse design – where desired device performance is specified and closely achieved through iterative, gradient-based optimisation – and the increasing availability of silicon nitride photonics via foundries, it is now feasible to expand the photonic design library beyond the limits of traditional approaches and unlock new functionalities. In this work, we present inverse-designed photonics on a silicon nitride platform and demonstrate both the design capabilities and experimental verification by realising precisely tailored wavelength-division multiplexers, mode-division multiplexers, and high-Q resonators with controllable wavelength range and dispersion. This demonstrates inverse-designed enhanced manipulation of orthogonal bases of light. Furthermore, we use these inverse-designed structures to form optical cavities that hold promise for on-chip nonlinear and quantum optics experiments.

0403電子応用
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