[논문 리뷰] Realization of advanced passive silicon photonic devices with subwavelength-grating structures developed by efficient inverse design

Jingshu Guo, Laiwen Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 02.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초소형 수동 실리콘 포토닉 장치를 위한 효율적인 역설계 방법을 제시하며, 미세주기격자(SWG) 구조를 사용하여 고성능이고 제조 친화적인 구성 요소를 실현한다. SWG로 정의된 영역 내에서 다중모드 자극과 간섭을 최적화함으로써 저자들은 초소형 면적을 가진 6채널 모드 (분배/다중) 분배기, 광대역 90° 하이브리드, 평탄한 통과대역 특성을 가진 분배기 등을 실현하였으며, 기존의 전통적 설계 대비 뛰어난 성능을 확보하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제조 가능성을 향상시킨 수동 실리콘 포토닉 장치를 위한 고효율 역설계 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 역설계된 포토닉 장치의 성능 한계를 극복하기 위해 미세주기격자(SWG) 구조를 도입하기 위해.
• 기존의 고전적 설계 방법으로는 어려운 복잡한 초소형 포토닉 구성 요소의 실현을 가능하게 하기 위해.
• 나노구조물의 우수한 형상 치수 균일성을 확보하여 제조 적합성을 향상시키기 위해.
• 대규모 포토닉 통합을 위한 실용적이고 고성능 장치, 예를 들어 다중분배기, 하이브리드, 분배기 등을 시연하기 위해.

제안 방법

• 역설계 과정의 효율성을 향상시키기 위해 새로운 검색 공간 차원 제어 전략을 도입하기 위해.
• 미세주기격자(SWG) 구조에 특화된 문제 지향적 전자기장 해법을 활용하기 위해.
• SWG로 정의된 영역 내에서 다중모드 자극과 다중모드 간섭을 최적화하여 장치를 설계하기 위해.
• SWG 구조의 높은 균일성을 활용하여 제조 내성과 양산성을 향상시키기 위해.
• 정확한 장치 예측을 위해 고급 수치 최적화 기법과 전체파 전자기 시뮬레이션을 통합하기 위해.
• 성능 지표가 목표 사양을 충족하는지 확인하기 위해 철저한 전자기 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효율적인 역설계 방법을 통해 미세주기격자(SWG) 구조를 갖춘 초소형 수동 실리콘 포토닉 장치를 실현할 수 있는가?
• RQ2 제안된 방법은 이전의 역설계 접근 방식 대비 성능과 제조 친화성에서 어떻게 향상되는가?
• RQ3 광대역 90° 하이브리드 및 평탄한 통과대역 특성을 가진 분배기와 같은 복잡한 포토닉 구성 요소가 이 SWG 기반의 역설계 프레임워크를 통해 실현 가능한가?
• RQ4 검색 공간 차원 제어 전략은 역설계에서 계산 효율성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 설면적과 기능성 측면에서 SWG 기반 장치는 고전적 설계 방법에 비해 어떤 성능 우위를 가진다?

주요 결과

• 제안된 역설계 방법은 새로운 검색 공간 차원 제어 전략과 특화된 전자기 해법을 통해 높은 계산 효율성을 달성한다.
• 미세주기격자(SWG) 구조는 뛰어난 형상 치수 균일성을 보이며, 무작위 나노구조보다 제조 친화성이 크게 향상된다.
• 초소형 면적과 높은 다중모드 간섭 감소 성능을 확보한 6채널 모드 (분배/다중) 분배기가 성공적으로 실현되었다.
• 광대역에서 넓은 동작 대역폭과 낮은 삽입 손실을 확보한 광대역 90° 하이브리드가 시연되었으며, 이는 기존의 전통적 역설계로는 달성할 수 없었다.
• 두 채널 평탄한 통과대역 특성의 파장 분배기가 실현되어 뛰어난 통과대역 평탄성과 채널 분리도를 보였다.
• 모든 장치가 고전적 설계 대비 성능이 동등하거나 뛰어나며, 면적은 크게 감소하였다.