光子学结构设计是微纳光学器件和系统研究的核心。许多人工设计的光子学结构，比如超材料、光子晶体、等离激元纳米结构等，已经在高速可视通信、高灵敏度传感和高效能源收集及转换中得到了广泛的应用。然而，该领域中通用的设计方法是基于简化的物理解析模型及基于规则的数值模拟方法。尽管利用这些方法人们可以得到所需的光学响应，但其从本质上说，它们都是基于反复试错的方法，效率低且很可能错过最佳的设计参数。因此，快速得到设计参数和光谱响应信息之间的潜在关联性，是实现光子学器件高效设计的关键。在过去的几年里，深度学习在语言识别、机器视觉、自然语言处理等领域发展迅速。深度学习的独特优势在于其数据驱动的方法，可以让模型从海量数据中自动发现有用的信息，这为解决上述光子学结构设计问题提供了一种全新的方法。本文综述了深度学习在微纳光子学结构设计上的最新进展，包括微纳光子器件的发展历程，传统的结构设计方法，深度神经网络的基本概念和分类。并在本文最后重点总结了深度学习对微纳光子学结构设计中正向预测和逆向设计的主要应用场景，对目前深度学习在光子学研究中的机遇与挑战进行总结与展望。我们期待着这一领域更进一步的飞跃性进展，开发出非传统的、物理驱动的算法，这些算法和网络不仅具有鲁棒性、生成性和可解释性，同时使用更少的数据，可以提供了实现无与伦比的光学功能器件的非常规方法。这种融合人工智能、微纳光子学的跨学科方法将允许具有独特功能的大规模光子学结构设计以及新的光学表征方法，为高速超分辨成像、实时探测和操控、高效的能量转换系统以及量子测量和计量领域的变革性进展铺平道路。

顾长志，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，基金委“纳米制造的基础研究”重大研究计划指导专家组成员。2000年获教育部“跨世纪人才”称号，2001年入选中科院“百人计划”， 2006年获国务院“政府特殊津贴”，2007年获中国物理学会“胡刚复物理奖”。2018年获英国皇家工程学会"杰出访问学者奖“。2014年任中科院物理所副所长。现任中国真空学会秘书长。

顾长志研究员长期从事纳米材料的可控制备、新奇物性和器件加工等方面研究，在Nature子刊、PRL、Nano Letters、Advanced Materiasl、JACS等国际著名学术杂志上发表论文300余篇，他人引用6000余次，获发明专利授权30余项，完成国家级鉴定验收成果7项。

郭阳，中国科学院物理研究所副研究员，长期从事低维/纳米材料光电物理性质和量子效应，以及纳米结构自旋电子学/光子学和纳米光电器件制备与测量研究。在国内外学术期刊上发表论文30余篇，获发明专利授权10余项。过去的主要研究成果包括：二维层状材料应变结构可控制备和物性研究；水分子团簇高空间分辨成像以及瞬态电激发分子动力学研究；ZnO/ MgO/Si半导体异质结紫外探测原型器件制备；在超薄Pb金属中观测到原子层数相关的超导转变温度振荡现象。

团队简介

研究团队依托中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心，长期致力于低维结构和器件的加工及新奇物性的实验研究，通过光与纳米结构的相互作用，寻找自然界不存在的新奇电磁现象和量子态的可控性，这在光子学、能源、隐身、量子信息等前沿领域有广泛的应用前景。过去主要研究成果包括：实现了以金刚石、碳纳米管和石墨烯为代表的碳基纳米材料的可控制备，发展了多种电学、磁学和光学等材料的纳米结构与器件的可控加工方法；发现了室温下纳米结构随尺寸变化的许多新奇物理特性，如多壁碳纳米管中电子的多通道弹道输运特性，为在纳米器件互联中的应用奠定了基础；基于铁磁金属纳米结构中畴壁的运动，构筑成功低功耗的全金属磁逻辑电路；发展了多种三维纳米结构与器件加工的新方法，实现了在纳米晶体管、超材料和等离激元光学器件上的应用。