[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于亚波长光栅（SWG）结构的高效逆向设计方法，用于超紧凑无源硅光子器件，实现了高性能且易于制造的组件。通过优化SWG定义区域内的多模激励与多模干涉，作者实现了6通道模式（去）复用器、宽带90°混合器以及平顶复用器，其尺寸极为紧凑，性能优于传统设计。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高效逆向设计方法，用于被动硅光子器件，以提升可制造性。
• 通过引入亚波长光栅（SWG）结构，克服先前逆向设计光子器件的性能限制。
• 实现复杂且超紧凑的光子组件，这些组件难以通过经典设计方法实现。
• 通过确保纳米结构中优异的特征尺寸均匀性，提升制造兼容性。
• 展示适用于大规模光子集成的实际高性能器件，如复用器、混合器和解复用器。

提出的方法

• 采用一种新颖的搜索空间维度控制策略，以提升逆向设计过程的效率。
• 利用专为亚波长光栅（SWG）结构量身定制的问题导向电磁场求解器。
• 通过优化SWG定义区域内多模激励与多模干涉来设计器件。
• 利用SWG结构的高均匀性，提升制造容差与良率。
• 将先进的数值优化与全波电磁仿真相结合，实现精确的器件预测。
• 通过严格的电磁仿真验证设计，确保性能指标满足目标规格。

实验结果

研究问题

• RQ1 高效的逆向设计方法是否能够实现基于亚波长光栅（SWG）结构的超紧凑无源硅光子器件？
• RQ2 与先前的逆向设计方法相比，所提出的方法在性能和制造兼容性方面有何改进？
• RQ3 是否能够利用这种基于SWG的逆向设计框架实现复杂的光子组件，如宽带90°混合器和平顶解复用器？
• RQ4 搜索空间维度控制策略在多大程度上提升了逆向设计中的计算效率？
• RQ5 与经典设计方法相比，基于SWG的器件在尺寸和功能方面具有哪些性能优势？

主要发现

• 所提出的逆向设计方法通过新颖的搜索空间维度控制策略和定制化的电磁求解器，实现了高计算效率。
• 亚波长光栅（SWG）结构表现出优异的特征尺寸均匀性，显著提升了相对于随机纳米结构的制造兼容性。
• 成功实现了6通道模式（去）复用器，具有超紧凑的尺寸和高串串扰抑制性能。
• 宽带90°混合器已成功演示，具有宽工作带宽和低插入损耗，这是传统逆向设计无法实现的。
• 实现了两通道平顶波长解复用器，表现出优异的通带平坦度和通道隔离度。
• 所有器件的性能均与或优于经典设计的对应器件，且尺寸显著减小。