[论文解读] Inverse design and demonstration of a compact on-chip narrowband three-channel wavelength demultiplexer

Logan Su, Alexander Y. Piggott+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在绝缘体上硅（SOI）平台上实现的逆向设计、紧凑型三通道波分复用波长解复用器，通道间距为40 nm（1500 nm、1540 nm、1580 nm），器件面积仅为24.75 µm²。通过采用两阶段优化并引入偏置技术以避免灰度结构，该器件在仿真中实现峰值插入损耗为-1.55 dB，实测峰值损耗为-2.29 dB，串串串扰低于-10.7 dB，四组实体制作器件均表现出优异的鲁棒性。

ABSTRACT

In wavelength division multiplexing (WDM) schemes, splitters must be used to combine and separate different wavelengths. Conventional splitters are fairly large with footprints in hundreds to thousands of square microns, and experimentally-demonstrated MMI-based and inverse-designed ultra-compact splitters operate with only two channels and large channel spacing ($>$100 nm). Here we inverse design and experimentally demonstrate a three-channel wavelength demultiplexer with 40 nm spacing (1500 nm, 1540 nm, and 1580 nm) with a footprint of 24.75 $μ\mathrm{m}^2$. The splitter has a simulated peak insertion loss of -1.55 dB with under -15 dB crosstalk and a measured peak insertion loss of -2.29 dB with under -10.7 dB crosstalk.

研究动机与目标

• 为硅光子集成电路开发一种紧凑、窄带三通道波分复用解复用器，通道间距小于100 nm。
• 克服传统WDM器件尺寸大且通常仅支持两通道宽间距的局限性。
• 解决利用逆向设计实现多通道、窄带解复用器的挑战，此前该方法仅能实现两通道、宽带操作。
• 通过优化良率和多组实体制作器件的一致性，确保对制造工艺偏差的鲁棒性。
• 展示逆向设计、超紧凑多波长分路器在未来的高容量片上光互连中的实验可行性。

提出的方法

• 采用两阶段逆向设计框架：连续优化（介电常数可连续变化）后接制造约束下的离散优化（使用水平集函数表示材料边界）。
• 在连续优化阶段应用偏置技术，以促进形成类似二值结构（硅或氧化物），避免出现不可制造的中间介电常数值。
• 利用伴随方法高效计算梯度，通过单次反向传播仿真显著降低计算成本。
• 在离散优化阶段实施制造约束，如最小特征尺寸和设计规则合规性。
• 在连续阶段使用介电常数值的二维图像参数化器件，在离散阶段使用水平集函数以精确表示边界。
• 优化多目标函数，以最大化目标波长处的透射率，同时最小化对其他输出端口的串串串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 逆向设计能否扩展用于实现紧凑、窄带三通道波分复用解复用器，且通道间距小于100 nm？
• RQ2 如何在连续优化过程中稳定逆向设计流程，以避免产生不可制造的“灰度”结构？
• RQ3 在存在工艺偏差的情况下，逆向设计光子器件的性能在多组实体制作样品中能保持多大程度的一致性？
• RQ4 与传统设计相比，逆向设计多通道解复用器在面积、插入损耗和串串串扰之间存在何种权衡？
• RQ5 所提出的方法能否推广至设计三通道以上、甚至更小通道间距的解复用器？

主要发现

• 实体制作的三通道解复用器面积为5.5 µm × 4.5 µm（24.75 µm²），显著小于传统WDM器件。
• 仿真峰值插入损耗在1500 nm处为-1.55 dB，1540 nm处为-1.68 dB，1580 nm处为-1.35 dB，所有通道串串串扰低于-15 dB。
• 实测峰值插入损耗在1551 nm（接近1540 nm）处为-2.29 dB，串串串扰低于-10.7 dB，表明尽管存在制造缺陷，性能依然强劲。
• 四组完全相同的器件表现出一致的传输谱，平均响应与仿真结果偏差在±1.5 dB以内，证明对制造偏差具有高度鲁棒性。
• 优化过程中采用的偏置技术成功避免了灰度结构，实现了从连续设计到离散设计的可靠过渡。
• 器件实现40 nm通道间距——显著窄于以往逆向设计的两通道器件（通道间距>100 nm），证明其在高容量WDM系统中的可行性。