This thesis explores the design and experimental validation of inverse-designed passive Nano-photonic components for compact and high-throughput photonic integrated circuits (PICs) on the Silicon-on-Insulator (SOI) platform. Topology optimization is employed to analyze the advantages and limitations of this optimization method.
The study focuses on the design of waveguide bends, crossings, wavelength demultiplexers, and asymmetric transmission structures for densely packed photonic chips. Sharp L, U, and T bends are successfully demonstrated, with footprint sizes ranging from 2.5µm x 2.5µm to 1µm x 1µm. Utilizing the adjoint method, highly efficient and broad-band bends are achieved. A compact wavelength division multiplexer is implemented, separating 1300nm and 1500nm wavelengths within a 3µm x 2µm footprint. The device exhibits an extinction ratio of approximately 20dB for TE mode and 9dB for TM mode on both ports. A waveguide crossing with a size of 4µm x 4µm demonstrates low insertion loss (<0.18dB) and excellent cross-talk performance (-41dB) across the wavelength range of 1250-1550nm.The thesis also presents an inverse design approach for an asymmetric light transmission device. This miniaturized device has size of 3µm x 3.6µm and achieves a rejection ratio exceeding 14dB for transmission in two directions. Operating over a broadband wavelength range of 1450-1650nm, the device utilizes only Silicon and Silicon dioxide, ensuring compatibility with CMOS fabrication processes.
This research contributes to the advancement of loss-tolerant passive inverse designed photonic components. Experimental validation of waveguide bends, crossings, wavelength demultiplexers, and asymmetric transmission structures confirms their functionality and highlights their potential for integration into future photonic systems.
본 논문은 SOI(Silicon-on-Insulator) 플랫폼에서 소형 및 고성능의 광자 집적 회로(PIC)를 위한 역설계 수동 나노 광자 구성 요소의 설계 및 실험적 검증을 탐구한다. 본 최적화 방법의 장점과 한계를 분석하기 위해 토폴로지 최적화 방법을 사용하였다.
본 연구는 고밀도 집적의 광자 칩을 위한 벤딩 도파로, 교차 도파로, 파장분할 다중화기 및 비대칭 전송 소자의 설계에 중점을 두었다. 설계된 벤딩 도파로는 adjoint 방법을 이용하여 고효율 및 광대역의 성능을 확보하고자 하였으며, 실험 결과 2.5µm x 2.5µm에서 1µm x 1µm의 크기를 갖는 L, U 및 T 모양의 벤딩 도파로가 성공적으로 시연되었다. 소형 파장 분할 다중화기는 구현되어 3µm x 2µm 설치 공간 내에서 1300nm 및 1500nm 파장을 분리하도록 설계되었다. 이 장치는 두 포트 모두에서 TE 모드의 경우 약 20dB, TM 모드의 경우 9dB의 소광비를 나타내었다. 4µm x 4µm 크기의 도파관 교차는 1250-1550nm의 파장 범위에서 낮은 삽입 손실(<0.18dB)과 뛰어난 누화 성능(-41dB)을 보였다. 본 연구는 또한 비대칭 전송 소자에 대한 역설계 접근 방식을 제시한다. 설계된 비대칭 전송 소자는 1450-1650nm의 광대역 파장 범위에서 작동하며, 3µm x 3.6µm의 크기를 갖고 양방향 전송에 대해 14dB 이상의 누화를 보였다. 제작된 소자들은 CMOS 제조 공정과의 호환되는 실리콘 포토닉 공정을 사용하여 제작되었다.
본 연구를 통해 저손실 및 수동 역설계 광자 소자의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 벤딩 도파로, 교차 도파로, 파장분할 다중화기 및 비대칭 전송 구조의 실험적 검증을 통해 해당 소자의 기능을 확인하고, 차세대 광자 시스템에 통합될 수 있는 가능성을 제시하였다.
