反向設計用於單模和寬波導之間緊湊轉換的錐形結構

Grunnleggende konsepter

本文提出了一種新穎的L型錐形結構，利用反向設計演算法和拓撲優化，實現了單模波導和寬波導之間高效、緊湊的模式轉換，相較於傳統的線性錐形結構，該結構佔用面積縮小了12倍。

Sammendrag

反向設計錐形結構實現單模和寬波導間的緊湊轉換

論文資訊

Michael J. Probst, Arjun Khurana, Archana Kaushalram, and Stephen E. Ralph. 反向設計用於單模和寬波導之間緊湊轉換的錐形結構。arXiv 預印本, 2024 年 11 月。

研究目標

本研究旨在開發一種新穎的錐形結構設計，用於連接單模波導和寬波導，以克服傳統線性錐形結構體積龐大、限制元件封裝密度和可擴展性的問題。

方法

研究人員採用反向設計範式，特別是密度型拓撲優化方法，設計了一種名為 L 型錐形結構的新型錐形結構。該方法將輸入和輸出波導旋轉 90 度，並利用數千或數百萬個像素來引導光線，實現高效的模式轉換。

主要發現

• L 型錐形結構的佔用面積比具有相同傳輸效率的線性錐形結構小 12 倍。
• L 型錐形結構在 1547nm 處實現了 -0.38dB 的峰值耦合效率，1dB 帶寬為 40nm。
• 與線性錐形結構相比，L 型錐形結構對寬波導中高階模態的激發更少，在設計波段（1540nm-1560nm）內，模態抑制比 (MSR) 大於 14dB。

主要結論

• 反向設計的 L 型錐形結構為單模波導和寬波導之間的緊湊轉換提供了一種高效且可擴展的解決方案。
• L 型錐形結構的緊湊尺寸使其在高密度集成光子應用中極具吸引力。

意義

這項研究為集成光子學中高效、緊湊的模式轉換提供了一種新的設計方法，有可能促進高性能、高密度集成光子系統的發展。

局限性和未來研究方向

• 未來的工作包括通過減少兩個波導的旋轉角度（小於 90 度）和優化設計區域幾何形狀來進一步提高器件性能。
• 未來的設計方向包括激發特定高階模態或在寬波導中產生任意相位分佈的 L 型錐形結構，以及利用對稱性抑制高階模態激發的設計。

Statistikk

L 型錐形結構的佔用面積比具有相同傳輸效率的線性錐形結構小 12 倍。
L 型錐形結構在 1547nm 處實現了 -0.38dB 的峰值耦合效率。
L 型錐形結構的 1dB 帶寬為 40nm。
在設計波段（1540nm-1560nm）內，L 型錐形結構的模態抑制比 (MSR) 大於 14dB。

Sitater

"The L-taper can convert from a single-mode waveguide to arbitrarily wide waveguides (e.g., tens of microns) with a length of approximately the width of the waveguide, whereas linear tapers require increasingly large footprints for expansion to such wide waveguides."
"The novel inverse-designed L-taper produces equivalent coupling to a linear taper in a 12× smaller footprint."

Viktige innsikter hentet fra

Inverse-Designed Tapers for Compact Conversion Between Single-Mode and Wide Waveguides

by Michael J. P... klokken arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14309.pdf

Dypere Spørsmål

這項技術如何應用於非矩形波導或更複雜的光波導設計？

L 型錐形結構的設計理念可以應用於非矩形波導或更複雜的光波導設計。其核心概念是利用逆向設計演算法，在給定的設計區域內，以像素為單位，調整材料的介電常數，從而實現所需的光學功能。
以下是一些應用於非矩形波導或更複雜光波導設計的思路：

非矩形波導: L 型錐形結構的設計方法並不受限於矩形波導。對於圓形、橢圓形或其他形狀的波導，可以通過定義相應的設計區域和邊界條件，利用相同的逆向設計演算法進行優化。
多模態波導: L 型錐形結構可以設計成激發特定高階模態或在寬波導中產生任意相位分佈。通過調整目標函數，可以引導演算法尋找能夠實現這些功能的最佳結構。
三維光波導: 雖然文中主要討論的是二維 L 型錐形結構，但該方法可以擴展到三維光波導設計。這需要更大的計算量，但可以實現更複雜的光場操控。
總之，L 型錐形結構的設計理念具有很強的通用性，可以應用於各種非矩形波導或更複雜的光波導設計。

在實際應用中，L 型錐形結構的製造公差和性能變化如何？

L 型錐形結構的製造公差和性能變化是實際應用中需要考慮的重要因素。由於其結構複雜，製造過程中的誤差可能會影響其性能。

製造公差: L 型錐形結構的性能對特徵尺寸（例如，光柵週期、線寬等）的變化非常敏感。因此，需要採用高精度的光刻和蝕刻技術來製造這些結構。此外，可以使用一些設計技巧來提高結構的製造容差，例如：

最小特徵尺寸限制: 在逆向設計過程中，可以設定最小特徵尺寸限制，以確保設計出的結構可以被現有的製造工藝所實現。
穩健性優化: 可以採用穩健性優化演算法，在設計過程中考慮製造誤差的影響，從而提高結構的製造容差。

性能變化: 即使在滿足製造公差的情況下，L 型錐形結構的性能也可能會受到製造過程中不可避免的隨機誤差的影響。為了評估這些影響，可以使用蒙特卡羅模擬等方法來分析結構性能的統計分佈。
總之，L 型錐形結構的製造公差和性能變化是實際應用中需要關注的問題。通過採用高精度製造技術和設計技巧，可以有效地提高結構的性能和可靠性。

如何將這種反向設計方法推廣到其他光子元件或系統的設計中？

L 型錐形結構所使用的逆向設計方法可以推廣到其他光子元件或系統的設計中。其核心思想是將設計問題轉化為一個優化問題，並利用計算機演算法尋找最佳解決方案。
以下是一些推廣應用方向：

其他光波導元件: 例如，可以利用逆向設計方法設計高效的光分束器、合波器、偏振分束器等。
光子晶體結構: 可以利用逆向設計方法優化光子晶體的能帶結構，設計出具有特定光學特性的光子晶體元件。
超材料和超表面: 可以利用逆向設計方法設計出具有特定電磁響應的超材料和超表面結構，例如，完美透鏡、隱身斗篷等。
光子集成電路: 可以利用逆向設計方法優化整個光子集成電路的佈局和性能，實現更高的集成度和更低的功耗。
在推廣應用過程中，需要根據具體的設計目標和約束條件，選擇合適的優化演算法和設計參數。此外，還需要考慮製造工藝的限制，以確保設計出的結構可以被實際製造出來。
總之，逆向設計方法為光子元件和系統的設計提供了一種全新的思路，具有廣闊的應用前景。