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Inverse Design of Photonic Crystals through Automatic Differentiation

自动微分 平面波展开 反向 铌酸锂 光子晶体 光子学 计算机科学 有限元法 平面波展开法 波导管 计算 光学 物理 算法 数学 几何学 热力学
作者
Momchil Minkov,Ian A. D. Williamson,Lucio Claudio Andreani,Dario Gerace,Beicheng Lou,Yu Song,Tyler W. Hughes,Shanhui Fan
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:7 (7): 1729-1741 被引量:173
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.0c00327
摘要

Gradient-based inverse design in photonics has already achieved remarkable results in designing small-footprint, high-performance optical devices. The adjoint variable method, which allows for the efficient computation of gradients, has played a major role in this success. However, gradient-based optimization has not yet been applied to the mode-expansion methods that are the most common approaches to studying periodic optical structures such as photonic crystals. This is because, in such simulations, the adjoint variable method cannot be defined as explicitly as in standard finite-difference or finite-element time- or frequency-domain methods. Here, we overcome this gap through the use of automatic differentiation, which is a generalization of the adjoint variable method to arbitrary computational graphs. We implement the plane-wave expansion and the guided-mode expansion methods using an automatic differentiation library, and we show that the gradient of any simulation output can be computed efficiently and in parallel, with respect to all input parameters. We then use this implementation to optimize the dispersion of a photonic crystal waveguide, and the quality factor of an ultrasmall cavity in a lithium niobate slab. This extends photonic inverse design to an entirely new class of simulations, and more broadly highlights the importance that automatic differentiation could play in the future for tracking and optimizing complicated physical models.
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