光子器件的性能对光通信以及光互联系统的性能至关重要,影响到最终的误码率和通信容量。在制造光子器件之前,首先需要根据目标性能需求进行光子器件的结构参数设计。光子器件的设计通常需要通过经验不断尝试,或者耗费大量时间进行多次数值仿真,然后将结果与目标响应进行比较,并不断更新结构以获得最终的结构参数。整个过程是基于迭代实现的。另一方面,随着光子器件和光子系统的结构变得越来越复杂,设计过程变得更具挑战性。在这种场景下,光子器件的结构参数涉及到高维参数空间,因此要获得与目标性能相对应的光子器件的结构参数变得非常冗余和繁琐,且缺乏可控的理论指导,难以设计出严格符合性能需求的器件。因此,在制造光子器件之前,获得与目标性能相对应的理论上的结构参数的光子器件的设计方法至关重要。在本文中,我们对逆向设计在光子器件和光子系统中的应用进行研究和探索。逆向设计是将各种计算优化技术应用于器件设计的方法,是从性能空间到参数空间的求解过程,而常规设计过程是从参数空间到性能空间的设计过程。相比于传统的设计方案,逆向设计不仅可以克服各种光子器件和光子系统的设计中固有的问题,而且能够简化设计过程并获得更加准确的解决方案。光子器件和光子系统中的逆向设计框架分为三类:基于理论分析的逆向设计,基于优化算法的逆向设计以及基于机器学习的逆向设计。微环谐振腔通道下降滤波器、平坦光谱放大器、具备自发辐射谱调控功能的纳米结构是光子系统中的重要组成部分。面向这些关键器件的实际问题和需求,针对性地给出了相应的解决方案。在本文中,我们通过使用基于理论分析,共轭梯度法,人工神经网络,随机森林等几种算法对微环谐振腔通道下降滤波器、平坦光谱放大器、具备自发辐射谱调控功能的纳米结构等几种关键光子器件实例进行逆向设计,实现了相应的功能,并解决了这些器件的设计中遇到的相应的问题。本文的研究内容具体如下:1.完成了对光子器件和光子系统中的各种逆向设计算法的构建,具体包括基于理论分析的逆向设计,基于优化算法的逆向设计以及基于机器学习的逆向设计。2.微环谐振腔通道下降滤波器是波分复用系统中的关键器件。由于环-环和环-直波导之间的耦合显著不同,因此导致了各个谐振腔之间的谐振频率失配,进而造成滤波器频谱的扭曲。通常的解决方案是分别改变各个谐振腔的尺寸、形状或折射率来对各个谐振腔的谐振频率进行复杂的补偿,且很难给出与预期一致的光谱响应。为了克服这些困难,并使系统具有鲁棒性,我们提出了一种基于多元胞串联结构的微环滤波器逆向设计方案。我们从性能指标开始,基于理论分析的方法逐步反向求解出满足性能指标的结构参数。1)构建了一种由多个元胞（单位元胞由输入直波导,单个微环,输出直波导组成）级联而成的微环滤波器结构。这种结构不会造成频谱扭曲,且频率纠偏简单。对这种结构详细地进行了理论上的性能分析,探讨了这种配置下的滤波器可以达到的理论性能极限（包括滚降特性以及3d B带宽等）。2)对这种结构,从性能指标开始,基于理论分析的方法给出了符合目标性能指标的滤波器的设计步骤,包括滤波器阶数配置,微环的初始半径,耦合间距等参数的获取,以及对微环半径的微调以达到对频移进行纠偏的目的。3.在密集波分复用光网络中,信号损耗通过光放大器进行补偿。然而,通常情况下,光放大器的增益谱会随着波长的变化而发生显著变化,从而导致通道之间的功率不平衡。由于各个通道的最差信噪比影响到最大传输距离,因此,具有较为平坦增益的光放大器至关重要。通过采用基于共轭梯度优化的逆向设计算法,构建了一种基于结构化波导的新型放大器结构。数值结果表明,该结构化波导使得光谱的3d B带宽增加了22.44%,平坦度提升了32%,有效地解决了放大器增益不平坦的问题。1)研究了局部态密度影响发射谱的物理机制,从而将发射谱问题转化成等价的局部态密度问题。2)基于共轭梯度算法构建了满足目标局部态密度需求的结构化波导（含多个缺陷的周期性结构）。在得到最优结构参数之后,观测基于数值仿真的发射谱,分析逆向设计的有效性。4.基于人工神经网络对高阶微环滤波器的透射谱预测以及逆向设计研究。这种方案可以直接快速地实现透射率的预测,并在设计空间内获得最接近目标光谱形状的结构参数。这种逆向设计方案有效地解决了高阶微环滤波器设计繁琐,且难以准确地得到目标响应的问题。更重要的是,在逆向设计的过程中,自动解决了滤波器设计的频偏补偿问题。1)对于透射率预测场景,在训练网络时,将训练集中的结构参数作为网络输入,相对应的透射谱作为网络输出,使得训练集和验证集的损失最小且不出现过拟合,并检验测试集上的损失以评估网络模型的泛化性能。最后,给定结构参数,使用训练好的网络对滤波器的透射谱进行预测。2)对于逆向设计场景,在训练网络时,将训练集中的透射谱作为网络输入,而相对应的结构参数作为网络输出,使得训练集和验证集的损失最小并且不出现过拟合,同时检验测试集上的损失以评估网络模型的通用性能。最后,将目标透射谱输入到训练好的网络,网络输出相应的结构参数以进行逆向设计。5.基于随机森林算法对光子纳米结构进行逆向设计,对自发辐射谱的调控进行探索。1)构建了一种核-壳光子纳米结构,实现了对自发辐射谱的修改。利用核-壳光子纳米结构的各个层之间模式的相互作用和相互耦合,实现对光谱的调控机制。2)基于随机森林算法对核-壳光子纳米结构进行逆向设计以达到对发射谱的自适应调控的目的,实现了对发射谱的灵活调控。