Redes de difracción de alto rendimiento e insensibles a la polarización habilitadas por metamateriales dieléctricos y algoritmos inspirados en la naturaleza

Abstract

[ES] La complejidad de las estructuras emergentes en fotónica integrada hace que su optimización sea difícil y con altos costes asociados en términos de tiempo y recursos. Los circuitos fotónicos integrados (PICs, en inglés) se están convirtiendo en una solución tecnológica para abordar problemas críticos en el campo de las telecomunicaciones, biofotónica o computación cuántica. Específicamente, la fotónica de silicio sobresale como la plataforma mas prometedora para abordarlos. Obtener un proceso de optimización eficiente sería muy codiciado por las compañías para reducir los costes del PIC o proporcionar nuevas y mejores funcionalidades.

En este trabajo, nos ponemos como objetivo probar el potencial de un algoritmo inspirado en la naturaleza como es la optimización por enjambre de partículas (PSO, en inglés) aplicado a estructuras fotónicas. Específicamente, PSO es aplicado para obtener alto prestaciones en redes de difracción insensibles a la polarización para acoplo fibra a PIC. La condición de insensibilidad a la polarización es difícil de obtener en fotónica de silicio debido al gran contraste de índice. Para conseguir esta condición en una red de difracción, la solución mas prometedora es el uso de estructuras sub-longitud de onda que actúan como un metamaterial dieléctrico uniaxial. Como consecuencia, la inclusión de estas estructuras incrementa exponencialmente el número de variables de diseño, lo cual dificulta el uso de procesos estándares de optimización.

En este trabajo, las estructuras sub-longitud de onda son en primer lugar analizadas rigurosamente mediante el método de transferencia de matrices (TMM, en inglés), la expansión modal y la técnica de adaptación modal para determinar bajo que condiciones estas actúan como un material homogéneo. A continuación, la optimización de las redes de difracción insensibles a la polarización es llevada a cabo mediante el desarrollo de un programa que se integra con un software de simulación fotónica (RSoft). El potencial de PSO aplicado a este tipo de estructuras es demostrado requiriendo al algoritmo diferentes especificaciones para la red de difracción.

Los resultados muestran para las estructuras sub-longitud de onda un periodo mínimo de 100 nm a fin de aplicar la aproximación de homogeneidad de forma precisa. Por otra parte, los diseños dados por PSO presentan un alto prestaciones junto con un comportamiento insensible a la polarización comparable al estado del arte. Además, se también se consigue una reducción drástica en el tiempo de optimización en comparación con las técnicas comunes.

De esta forma, PSO se presenta como una herramienta eficiente para optimizar estructuras fotónicas complejas. Estos resultados podrían llamar la atención de la industria de los PIC para reducir sus costes. Por otra parte, los diseños propuestos podrían ser de interés para desarrollar nuevas aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones o nuevas formas de computación.

[EN] The complexity of emerging photonic integrated structures makes their optimization difficult and with high associated costs in terms of time and resources. Photonic integrated circuits (PICs) are becoming a technology solution to address some critical problems in the field of telecom, biophotonics or quantum computing. Specifically, silicon photonics stand as the most promising platform to tackle them. Obtaining an efficient optimization process would be desired for companies to reduce the cost of the PIC or provide new and better functionalities.

In the present work, we aim to prove the potential of a nature-inspired algorithm such as particle swarm optimization (PSO) applied to photonic structures. Specifically, PSO is applied for obtaining high-performance in polarization-insensitive grating couplers for fibre-to-PIC coupling. The polarization-intensive condition is hard to achieve in silicon photonics due to the large index contrast. To achieve this condition in grating couplings the most promising solution is the utilization of subwavelength structures that act as a uniaxial dielectric metamaterial. As a consequence, the inclusion of these structures increases exponentially the number of design variables, which difficult the utilization of standard optimization processes.

In this work, the subwavelength structures are first rigorously analysed by using transfer matrix method (TMM), eigenmode expansion and mode-matching to determine under which conditions these act as a homogenous material. Afterwards, the optimization of polarization-insensitive grating couplers is carried out by developing a program that integrates with a photonic simulation software (RSoft). The potential of PSO applied to this kind of structure is demonstrated by demanding different grating specifications to the algorithm.

Results show for the subwavelength structures a minimum pitch of 100 nm in order apply accurately the homogenous approximation. On the other hand, the designs given by PSO present high-performance together with a polarization-insensitive behaviour comparable to the state-of-the art. Furthermore, a drastic reduction of the optimization time in comparison with common techniques is also achieved.

Hence, PSO presents as an efficient tool for optimizing complex photonic structures. These results could catch the attention of the PIC industry to implement this cost-savings. Furthermore, the proposed designs could be of interest for developing new applications in the field of telecom or new ways of computing.