[論文レビュー] Realization of advanced passive silicon photonic devices with subwavelength-grating structures developed by efficient inverse design

Jingshu Guo, Laiwen Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、サブ波長グレーティング（SWG）構造を用いた、超小型で能動的でないシリコンフォトニクス素子の効率的な逆設計手法を提示している。この手法により、高性能でプロセスに優れた部品の実現が可能となる。SWGで定義された領域におけるマルチモード励起と干渉を最適化することで、6チャネルモード（分波器／合波器）、広帯域90°ハイブリッド、フラットトップ分波器を実現し、従来の設計法に比べてコンactな外形寸法と優れた性能を達成した。

ABSTRACT

The realization of ultra-compact passive silicon photonic devices is becoming more and more important for the future large-scale photonic integration as desired for many systems. Although some compact silicon photonic devices have been demonstrated by using inverse design, the device performance is still insufficient for real applications. Here, we propose and realize several representative ultra-compact advanced passive silicon photonic devices with decent performances by introducing subwavelength-grating (SWG) structures developed by our high-efficiency inverse design method. These devices are designed by optimally manipulating the multimode excitation and the multimode interference in a region defined with SWG structures. These SWG structures with excellent feature-size uniformity are more fabrication-friendly than those random nano-structures used in previous inverse-designed photonic devices. The high-efficiency of our inverse design method is attributed to a novel search-space-dimension control strategy and the efficient problem-oriented electromagnetic-field solvers available for SWG structures. Specifically, we present the realization of a 6-channel mode (de)multiplexer, a broadband 90°-hybrid, and a two-channel flat-top wavelength demultiplexer as some examples, which can hardly be realized by previously reported inverse design approaches. These devices exhibit ultra-compact footprints as well as decent performances when compared to the counterparts developed by the classical theory.

研究の動機と目的

• 製造性を向上させた、能動的でないシリコンフォトニクス素子の高効率な逆設計手法の開発を目的とする。
• サブ波長グレーティング（SWG）構造を導入することで、従来の逆設計フォトニクス素子に見られる性能制限を克服することを目的とする。
• 古典的手法では実現が難しい、複雑な超小型フォトニクス部品の実現を可能とすることを目的とする。
• ナノ構造における優れた寸法均一性を確保することで、プロセス適合性を向上させることを目的とする。
• 大規模フォトニクス統合に向けた実用的で高性能なデバイス、例えばマルチプレクサ、ハイブリッド、デマルチプレクサの実証を目的とする。

提案手法

• 逆設計プロセスの効率を向上させるための、新しい探索空間次元制御戦略を採用する。
• サブ波長グレーティング（SWG）構造に特化した問題指向の電磁界ソルバを活用する。
• SWGで定義された領域におけるマルチモード励起とマルチモード干渉を最適化することでデバイスを設計する。
• SWG構造の高い均一性を活用し、プロセス耐性と出荷率を向上させる。
• 高精度なデバイス予測を実現するため、高度な数値最適化とフルウェーブ電磁界シミュレーションを統合する。
• 性能指標が目標仕様を満たすことを保証するため、厳密な電磁界シミュレーションによる設計の検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高効率な逆設計手法は、サブ波長グレーティング（SWG）構造を用いた、超小型で能動的でないシリコンフォトニクス素子の実現を可能にするか？
• RQ2 提案手法は、従来の逆設計アプローチと比較して、性能とプロセス適合性をどのように向上させるか？
• RQ3 広帯域90°ハイブリッドやフラットトップ分波器といった複雑なフォトニクス部品は、このSWGベースの逆設計フレームワークで実現可能か？
• RQ4 探索空間次元制御戦略は、逆設計における計算効率をどの程度向上させるか？
• RQ5 フォトニクス素子の外形寸法と機能的性能の面で、SWGベースのデバイスは古典的手法に比べてどのような利点を提供するか？

主な発見

• 提案された逆設計手法は、新しい探索空間次元制御戦略と特化した電磁界ソルバを用いることで、高い計算効率を達成した。
• サブ波長グレーティング（SWG）構造は優れた寸法均一性を示し、ランダムなナノ構造と比較して、著しくプロセス適合性が向上した。
• 6チャネルモード（分波器／合波器）が、超小型の外形寸法と高いクロストーク抑制を実現して成功裏に実現された。
• 広帯域90°ハイブリッドが、広い動作帯域と低損失を実現し、従来の逆設計では達成できなかった。
• 2チャネルのフラットトップ波長分波器が実現され、優れた通過帯域の平坦性とチャネル分離度を示した。
• すべてのデバイスが、古典的手法の対応品と同等またはそれ以上の性能を示し、顕著に外形寸法が小型化された。