Computational efficient nanophotonic design through data-driven eigenmode expansion

Abstract

Silicon photonic components require rapid design procedures with state-of-the-art optical metrics as the on-chip photonic applications advance. In this dissertation, a highly efficient and flexible method is introduced for designing a variety of low-loss waveguides in compact footprints. The proposed data-driven eigenmode expansion method represents waveguides as cascading eigenmode scattering matrices and propagation matrices. This method uses parallel data processing approaches to perform electromagnetic computations for simulating the optical response of individual waveguides in tens of milliseconds, orders of magnitude faster than the conventional methods, while achieving physical accuracies respected to 3D-FDTD. This framework, coupled with nonlinear optimization algorithms, designs adiabatic tapers, power splitters, and waveguide crossings that show near-lossless state-of-the-art operation within broad bandwidths. These devices and their 3D-FDTD simulations and experimental measurements highlight this methodology's capabilities and computational efficiency. A few photonic design problems currently under development will further demonstrate its applicability.

Silikon fotonik bileşenleri, çip üstü fotonik uygulamalar geliştikçe üstün optik metrikleri karşılayan hızlı tasarım prosedürleri gerektirir. Bu tezde, kompakt ayak izlerinde çeşitli düşük kayıplı dalga kılavuzları tasarlamak için oldukça verimli ve esnek bir yöntem tanıtılmaktadır. Önerilen veri odaklı özkip genişleme yöntemi, dalga kılavuzlarını basamaklı özkip saçılma matrisleri ve yayılma matrisleri olarak temsil eder. Bu yöntem, 3D-FDTD'ye göre fiziksel doğruluklar elde ederken, geleneksel yöntemlerden kat ve kat daha hızlı olan onlarca milisaniyede dalga kılavuzlarının optik tepkisini simüle etmek için elektromanyetik hesaplamalar gerçekleştirmek üzere paralel veri işleme yaklaşımlarını kullanır. Doğrusal olmayan optimizasyon algoritmalarıyla birleştirilen bu sistem, geniş bant genişliklerinde neredeyse kayıpsız son teknoloji işlemi gösteren adiabatik konikleştiriciler, güç bölücüler ve dalga kılavuzu geçişleri tasarlar. Bu cihazlar, 3D-FDTD simülasyonları ve deneysel ölçümleriyle birlikte, bu metodolojinin yeteneklerini ve hesaplama verimliliğini vurgulamaktadır. Şu anda geliştirilmekte olan birkaç fotonik tasarım problemi, uygulanabilirliğini daha da gösterecektir.