人工设计的光子学器件在现代光学的各个领域都有广阔的应用前景。传统光子学器件的设计通常是基于已知的物理模型，然后通过数值模拟方法对结构进行优化设计。由于器件结构很大程度上依赖于先验模型，所以传统优化设计的自由度是有限的。随着近年来对高性能光子学器件需求的日益增长，具有更高设计自由度的逆向设计方法得到了快速发展。逆向设计方法打破了传统方法的设计局限性，可以在全参数空间中实现高效的参数优化，因此更可能得到具有极限性能的器件结构。本文总结了光子学器件逆向设计的常用方法，并给出了逆向设计在各个光子学领域中的具体应用。随着计算机科学的不断发展，逆向设计方法展现出无与伦比的潜力，有望在各个光学领域中实现更高自由度的光场调控。

高性能的片上纳米激光器对通信、传感以及量子等领域的发展有着至关重要的意义。纳米激光器中高的光学限制因子可以保证更大的模式增益，实现更低的激光器阈值。首先阐明了借助物理气相沉积和原子层沉积制备Si₃N₄/WS₂/Al₂O₃三明治型纳米激光器阵列的工艺流程；构建了该纳米激光器的仿真模型，在仿真模型中对实际结构进行了简化并分析了Al₂O₃覆盖层厚度T、Si₃N₄微盘直径D和厚度H对光学限制因子的影响。光学限制因子随着Al₂O₃覆盖层T以及Si₃N₄微盘直径D的增加有先增加后减小的趋势，Si₃N₄微盘厚度H的减小也可以显著增加激光器的光学限制因子；最后展示了器件的荧光以及扫描电子显微镜的表征结果。该工作为集成光学芯片中可规模制备的高性能纳米激光器打下了良好基础。

作为生物体的本质属性，物质的手性表征在生理学和药理学领域有着重要的意义。当电磁波与手性材料作用时，会出现旋光效应、圆二色性和手性光力等特殊的光学活性现象，并成为材料手性检测的强大工具。由于手性分子的结构远小于激发光的波长，因此分子自身的手性光学效应通常很弱，极大限制了检测技术的精度。近年来，纳米光子技术的进步有望增强纳米尺度下光与物质之间原本很弱的手性光学效应，使得手性的高灵敏度、高分辨率检测成为可能。回顾了手性光学的发展及其在生物分子检测等方面的应用，讨论了基于等离子耦合圆二色性和超手性近场在圆二色性增强方面的策略，介绍了基于横向手性光力的物质构型分选和基于结构光场光力效应的手性结构表征方法，并对该领域未来进一步的发展进行了展望。

近年来，中红外（波长范围2~20 μm）集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口，有着作为气体传感应用的先天优势，并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术，一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外，集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度，同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑，易于与其他设备集成的特点。因此，中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、**安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分：传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍，展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展，并对其未来发展做出了展望。

由于金属固有的欧姆损耗，表面等离子体波导通常具有较大的传输损耗。基于此，提出了一种全介质反槽波导结构，该波导可以同时实现亚波长模式局域性和理论上无损耗的传输，归一化模式面积可以达到3.4×10^-2。另外，为了实现该小尺寸反槽波导与输入/输出光纤的高效耦合，提出了一种高效的耦合方案，耦合效率可以达到92.7%，在y和z方向上1 dB损耗的耦合偏差均约为2 μm。

超构表面是由亚波长结构单元组成，它可以利用微纳制造工艺在平面上制造出来。通过改变超构单元的形貌以及排列方式可以实现对光的精确控制，从而使超构表面实现多种光学器件的功能。超构表面平面光学器件具有超薄、超轻、可芯片级集成、易于大规模量产等优点，近些年来成为了微纳光子学里最热门的研究领域之一。基于紫外光刻工艺的晶圆级加工技术是未来实现超构表面光学器件大规模量产最可行的路线之一。本文综述了近些年来基于紫外光刻技术的晶圆级超构表面光学所取得的进展。这些研究工作在不同尺寸和材料的晶圆上实现了超透镜、偏振带通滤波器、半波片、完美吸收体、光束偏转器等光学器件。