Modern nanophotonics has introduced innovative technologies and components for controlling light. Notably, plasmonics, which utilizes metals to confine light into spaces much smaller than its wavelength, and metasurfaces, possessing optical properties not found in nature, are representative examples. In this way, the field of nanophotonics has advanced by increasing functional complexity and miniaturizing component sizes. However, designing and realizing increasingly complex and sophisticated nanophotonic components requires more than simple optical structure design based on intuition, as has been done for decades. Recently, numerical calculation methods such as the adjoint method and deep learning for device modeling have emerged. These approaches aim to inverse design free-form devices that satisfy desired performance metrics, going beyond the limitations of intuitive design based on decades of experience.
In this thesis, state-of-the-art technologies for inverse design of free-form nanophotonic components are reviewed. The latest papers are examined in the order of classical optimization methods, adjoint methods, and deep learning methods to understand how these design methods are utilized. Additionally, the thesis explores what additional design methods are needed to ensure that the designed devices meet the minimum feature size limits of actual microfabrication processes. Subsequently, utilizing these advanced optimization techniques, the thesis demonstrates the inverse design of unprecedented high-performance nanophotonic components in three main topics: light trapping in a plasmonic waveguide, complete $2 \pi$ phase modulation, and single-gate electrically tunable beam switching. Firstly, the performance of light trapping in a linear plasmonic waveguide is enhanced to a level comparable to the latest resonator-based light trapping performance by designing free-form waveguide structures using classical optimization methods. The general relationship between light trapping performance and waveguide length and metal loss is derived. Secondly, an active metasurface based on silicon-graphene is designed to exhibit the avoided crossing phenomenon between qBIC (quasi-bound states in the continuum) mode and graphene plasmon mode using classical optimization methods. The designed metasurface showed high reflectance and phase modulation performance up to $3 \pi$, depending on the variable Fermi level. Lastly, using the adjoint method, a silicon-graphene-based active metasurface is optimized to refract light in a specific direction depending on the variable Fermi level. The designed metasurface exhibited near 100% directivity and high diffraction efficiency in 2- and 3-level beam switching. Inspired by the modulation limitation discovered in the design process of the 4-level switching metasurface, the necessary conditions for designing multi-level switching devices are derived.
현대 나노광학은 빛을 제어함에 있어 혁신적인 기술과 소자를 선보여 왔다. 대표적으로 금속을 이용해 빛을 파장보다 매우 작은 공간에 집적할 수 있는 플라즈모닉스 (plasmonics) 와 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 갖는 메타표면 (metasurface) 등을 예시로 들 수 있다. 이처럼 나노광학 분야는 기능적 복잡성을 증가시키고 소자 크기를 소형화하는 방식으로 발전해 왔다. 점점 복잡하고 정교해지는 나노광학 소자를 설계하고 실현하기 위해서는 지난 수십년 동안 이루어져 왔던 직관에 의존한 간단한 광학구조 설계 방법으로는 충분하지 않다. 이에 최근 인접상태 방법 (adjoint method), 딥러닝을 이용한 소자 모델링 등 수치적인 계산 방법을 이용하여 원하는 성능 지표를 만족하는 자유형태 (free-form) 소자를 역설계 (inverse design) 하는 방법론이 대두되었다.
본 학위논문에서는 먼저 자유형태 나노광학 소자를 역설계하기 위한 최첨단 기술을 검토한다. 고전적 최적화 방법, 인접상태 방법, 딥러닝을 이용한 설계 방법의 순으로 최신 논문들이 어떠한 방법으로 이러한 설계 방법을 활용하는지 살펴본다. 또한, 설계된 소자들이 실제 미세공정의 선폭한계를 만족하기 위해 어떤 설계 방법이 추가되어야 하는지 살펴본다. 이후 이러한 고급 최적화 기술을 사용하여 플라즈모닉 도파로 (waveguide) 에서의 빛 가둠 (light trapping), 완전한 $2 \pi$ 위상 변조, 단일 게이트로 전기적 변조가 가능한 빔 스위칭의 세 가지 주제에 관하여 전례 없는 고성능 나노광학 소자의 역설계를 입증한다. 첫번째로, 선형 플라즈모닉 도파로에서의 빛 가둠 성능을 고전적 최적화 방법을 이용해 자유형태를 갖도록 설계하여 최신 공진기 (resonator) 기반의 빛 가둠 성능에 준하는 수준으로 향상시키고, 도파로 길이와 금속의 에너지 손실률 (loss) 에 따른 빛 가둠 성능의 일반적인 관계를 도출한다. 두번째로, 고전적 최적화 방법을 활용하여 실리콘-그래핀 기반의 능동 메타표면이 qBIC (quasi-bound states in the continuum) 모드와 그래핀 플라즈몬 모드의 교차 회피 (avoided crossing) 현상을 갖도록 설계한다. 설계된 메타표면은 높은 반사계수를 가지면서도 가변 페르미 준위에 따라 $3 \pi$ 에 달하는 위상 변조 성능을 보였다. 마지막으로, 인접상태 방법을 이용하여 가변 페르미 준위에 따라 특정 방향으로 빛이 굴절되도록 실리콘-그래핀 기반의 능동 메타표면을 최적화한다. 설계된 메타표면은 2, 3단계 빔 스위칭에서 100%에 근접한 직진성과 높은 굴절효율을 보였다. 이후 4단계 스위칭 소자의 설계 과정에서 발견한 변조 한계에 착안해, 다단계 (multi-level) 스위칭 소자 설계에 필요한 필요조건을 도출한다.
