Software- and hardware-accelerated inverse design of photonic devices

计算机科学 软件 反向 光子学 计算机硬件 软件设计 嵌入式系统 软件开发 光电子学 物理 操作系统 几何学 数学
作者
Peng Sun,Ashkan Seyedi,Liron Gantz
标识
DOI:10.1117/12.3065466
摘要

Co-Packaged Optics offer superior energy efficiency and data density compared to pluggable and onboard optics. As optical engines become more tightly integrated with switch silicon, new challenges emerge in thermal management, yield and reliability – highlighting the need for innovative photonic devices. Inverse design using the adjoint method enables efficient exploration of high-dimensional parameter spaces and is particularly well suited for multi-objective optimization of photonic structures with complex geometries. We accelerate the inverse design process through both software and hardware improvements. On the hardware side, we leverage the high memory bandwidth of GPUs by porting an open-source inverse design toolkit to GPUs. Single-GPU FDTD simulations achieve up to ~100× speedup over CPU implementations, consistent with memory bandwidth advantages. Multi-GPU FDTD simulations demonstrate over 95% parallel efficiency on an NVIDIA DGX-2 server equipped with 16 NVLink-connected Tesla V100 GPUs. As device complexity increases and hundreds of design parameters are needed to define intricate geometries, gradient computation emerges as a major bottleneck – often surpassing FDTD simulation time. To overcome this challenge, we develop an Autograd-based gradient computation algorithm tailored for complex geometries, achieving approximately a 60× speedup in gradient computation. We demonstrate the enhanced simulation and design capability through three representative examples: (1) a polarization-splitting grating coupler with record-high coupling efficiency; (2) a single-polarization grating coupler with wide bandwidth covering the entire CWDM band; and (3) a rib-waveguide ring coupler with 2× reduced sensitivity to etch-depth variation.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
Wen929完成签到 ,获得积分10
2秒前
wjm完成签到,获得积分10
4秒前
无处不在完成签到 ,获得积分10
6秒前
科研通AI6应助zzc采纳,获得30
6秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
7秒前
坚强的小懒虫完成签到 ,获得积分10
8秒前
bkagyin应助PhD-SCAU采纳,获得30
11秒前
红岚幽客完成签到,获得积分10
13秒前
15秒前
laziness完成签到,获得积分10
15秒前
cssfsa发布了新的文献求助10
15秒前
ding应助肯瑞恩哭哭采纳,获得10
17秒前
18秒前
Jello完成签到,获得积分10
18秒前
Tina完成签到,获得积分10
18秒前
燧人氏发布了新的文献求助30
20秒前
lewu完成签到,获得积分10
21秒前
24秒前
cssfsa完成签到,获得积分10
24秒前
慕青应助木子采纳,获得10
24秒前
25秒前
PhD-SCAU完成签到,获得积分10
25秒前
任性的向薇完成签到 ,获得积分10
27秒前
28秒前
28秒前
wuhuhu发布了新的文献求助10
29秒前
32秒前
32秒前
咚咚咚发布了新的文献求助10
32秒前
江河发布了新的文献求助10
33秒前
Ava应助LXY采纳,获得10
33秒前
爆米花应助於傲松采纳,获得10
33秒前
Lucas应助huizui采纳,获得10
34秒前
coco发布了新的文献求助10
35秒前
在水一方应助坦率灵槐采纳,获得10
37秒前
39秒前
ada完成签到,获得积分10
41秒前
清爽的雁丝完成签到,获得积分10
42秒前
ada发布了新的文献求助10
44秒前
47秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Acute Mountain Sickness 2000
Cowries - A Guide to the Gastropod Family Cypraeidae 1200
Handbook of Milkfat Fractionation Technology and Application, by Kerry E. Kaylegian and Robert C. Lindsay, AOCS Press, 1995 1000
Textbook of Neonatal Resuscitation ® 500
Why Neuroscience Matters in the Classroom 500
The Affinity Designer Manual - Version 2: A Step-by-Step Beginner's Guide 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 医学 生物 材料科学 工程类 有机化学 内科学 生物化学 物理 计算机科学 纳米技术 遗传学 基因 复合材料 化学工程 物理化学 病理 催化作用 免疫学 量子力学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 5046229
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 4275421
关于积分的说明 13327158
捐赠科研通 4089393
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2237723
邀请新用户注册赠送积分活动 1244809
关于科研通互助平台的介绍 1172947