Inverse design of photonic components

Abstract

테라헤르츠(THz)파는 기초과학과 응용공학에서의 잠재력 때문에 상당한 관심을 끌었다. 더욱이, 다양한 유형의 실리콘 온 인슐레이터 포토닉 부품은 포토닉 집적 회로(PIC)를 위해 설계되었다. 본 연구에서는 최적화 알고리듬의 역 설계를 사용하여 두 가지 기본 PIC 장치인 TE/TM 편광 분할기와 50:50 THz 전력 분할기를 설계한다. 첫째, 우리는 매우 효율적인 광대역 TE/TM 편광 분할기를 설계하기 위해 보조 방법을 사용한다. 둘째, 우리는 입자 군집 최적화 알고리듬을 사용하여 디지털화된 메타 재료를 기반으로 50:50 THz 전력 분할기를 설계한다. 설계한 소자는 콤팩트성, 효율, 전유전성, 상보적인 금속-산화물-반도체 제조기술과의 호환성 등의 우수한 장점을 가지고 있다. 장치는 PIC에서 중요한 구성 요소가 될 수 있다.

Terahertz (THz) wave has attracted considerable attention because of its potential in fundamental science and applied engineering. Moreover, various types of silicon-on-insulator photonic components have been designed for photonic integrated circuits (PICs). In this study, we design two fundamental PIC devices—a transverse electric (TE)/transverse magnetic (TM) polarization splitter and a 50:50 THz power splitter—using the inverse design of optimization algorithms. First, we use the adjoint method to design highly efficient broadband TE/TM polarization splitter. Second, we use the particle swarm optimization algorithm to design a 50:50 THz power splitter based on digitized metamaterials. The designed devices have excellent advantages such as compactness, efficiency, all-dielectric, and compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor fabrication technology. The devices can become vital components in PIC.