Evaluación de algoritmos de optimización de primer orden para la optimización topológica robusta de dispositivos nanofotónicos

Resumen

La fotónica del silicio es un área emergente con un crecimiento constante en las últimas décadas. Los dispositivos fotónicos muestran aplicaciones potenciales para mejorar los sistemas informáticos, las telecomunicaciones y otras áreas. Sin embargo, sigue siendo un reto integrar un gran número de dispositivos fotónicos fundamentales en un chip con poca superficie y bajas pérdidas. En este trabajo diseñamos dos dispositivos fotónicos fundamentales: (i) curvador y (ii) multiplexor de longitud de onda (WDM) de 2 canales. Los diseños se realizaron en un área de 2µm × 2µm siguiendo una estrategia basada en la optimización robusta de la topología. Evaluamos y comparamos cinco algoritmos de optimización de primer orden: (i) Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno de memoria limitada con límites (L-BFGS-B), (ii) Método de asíntotas móviles (MMA), (iii) Estrategia de evolución adaptativa de la matriz de covarianza (G-CMA-ES), (iv) Optimización de enjambre de partículas con gradiente (G-PSO) y (v) Algoritmo genético con gradiente (G-GA). Los tres últimos algoritmos son variaciones de sus versiones más estándar (CMA-ES, PSO y GA) en las que se incluye el cálculo del gradiente para guiar el proceso de optimización. Los diseños mejor optimizados muestran: (i) una transmisión superior al 90 % y robustez frente al sobre/infragrabado, (ii) un porcentaje de grises inferior al 2 % y (iii) su rendimiento es consistente en banda ancha con cambios suaves (curva 1500-1600 nm y WDM 1250-1600 nm) incluso tras eliminar regiones no convexas. Estos resultados son prometedores para (i) la integración de dispositivos WDM en un área inferior a la del estado de la técnica (<2,8µm × 2,8µm) y (ii) el diseño de curvas con menos los que los diseños intuitivos-tradicionales de 1µm de radio.

Fecha de lectura	2022
Idioma original	Español (Perú)
Supervisor	Jorge Gonzalez Reaño (Asesor)