纳米光子学的研究赋予了我们在围观尺寸操纵光的能力,其实现的方式是基于微纳光波导的设计。但是传统的波导设计方式存在局限,导致很多情况下特定的器件功能难以实现。传统波导的设计都是根据波导的解析理论得到初始结构,之后进行复杂的优化工作。而对于微纳尺度的波导,很难得到每一种功能对应的解析理论,波导的解析理论制约着光波导的设计。与此同时,随着纳米光子学制作工艺的提升,我们可以轻易地制作亚波长结构,又为我们整体器件的结构带来了无限可能。为了解决落后的波导设计方式和迅速发展的纳米制作工艺之间的不对等,逆设计的方式与近两年被提出。逆设计的方式利用数学优化理论和电磁计算理论,在无限的结构参数空间内寻找满足目标性能的波导结构。其无限可能的波导结构赋予了使用这种方式设计的波导的多样的性能,使我们可以以更多的方式操作光。逆设计出来的器件理论上可以拥有任意的尺寸和形状,这使其在光电集成中具有无可比拟的优势。总体而言,逆设计是非常具有研究价值的一个课题。本论文致力于逆设计相关内容的研究,主要内容有如下几个方面:(1)对逆设计中涉及的电磁计算理论和数学优化理论作了分析和总结。推导了使用频域有限差分方式(FDFD)来求解三维空间内的麦克斯韦方程组的过程。分析了逆设计中最为核心的数学优化算法,对优化算法的模型进行了清晰地理论描述并且给出了关键证明。(2)总结分析国际逆设计研究进展,拓展逆设计方式功能。首先,通过空间选择矩阵,扩展了逆设计中初始优化区域的定义。由原来的二维矩形优化区域拓展到三维任意区域,并且通过空间选择矩阵实现对材料不同方向上的介电常数的独立操作。理论推导了使用二维频域有限差分方式求解波导模式的过程,给出了理论推导以及数值实现方式,通过定义输入输出波导的模式及其转换效率来表示光波导的目标性能。根据上述成果搭建并优化了逆设计仿真平台,并使用该平台设计了多种器件。(3)使用逆设计方式设计了具有任意分光比的宽带的1×3功分器。以目标分光比1:2:1为例,使用逆设计方式得到了在波长为1550nm处25%:50%:25的分光器件,器件尺寸为2.8×28μm2。在1500nm至1600nm插入损耗小与0.49dB,分光比变化小于4.4%。(4)使用逆设计方式在2.8×2.8μm2的区域内实现了 T型等比分光的功能,首次在220nm的硅工艺上实现了该功能。在光源波长为1550nm处两个输出端口的归一化功率比为50.4%: 49.6%,此时的插入损耗为0.56dB。在光源波长为1520nm到1600nm的带宽内仿真计算了器件的分光比、插入损耗IL、以及模式重叠系数γ。在光源波长从1534nm增加到1576nm时,port2的归一化分光比右49.06%增长到50.43%,抖动为1.37%。在波长变化范围1520 nm到1580 nm范围内,两个端口的输出模式与目标场的模式重叠积分始终大于96%。制作了 T型等比分光器件,实验测试结果与仿真一致。