Adjoint inverse design as a method for engineering photonic logic gates
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
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Jorge Ricardo Mejía Salazar
Davies William de Lima Monteiro
Davies William de Lima Monteiro
Resumo
The thesis is an investigation of inverse design as a computational methodology for the optimization
of photonic systems, with a focus on using adjoint-based topology optimization to realize
photonic logic gates. The investigation begins with the derivation of Maxwell’s equations in
the frequency domain and the presentation of the finite element method as a simulation toolkit.
A step-by-step derivation of the adjoint method is presented, enabling efficient calculation of
sensitivity information for spatial perturbations in the material distribution.
Several logic gates, including OR, AND, XOR, NAND, and NOR are optimized via a custom
optimization objective comprising amplitude and phase constraints, as well as symmetries. The
developed devices have high logical contrast, with small footprints down to 4.00 μm2. The
findings validate the use of adjoint-based inverse design for the synthesis of high-performance,
fabrication-friendly photonic devices. The method developed in this study provides a foundation
for scalable and reconfigurable optical logic, bringing us one step closer to realizing integrated
photonic computing architectures.
Abstract
A presente dissertação é uma investigação sobre o uso do design inverso como metodologia
computacional para a otimização de sistemas fotônicos, com ênfase na aplicação de otimização
topológica baseada no método adjunto para a realização de portas lógicas fotônicas. A investigação inicia-se com a derivação das equações de Maxwell no domínio da frequência, seguida da
apresentação do método dos elementos finitos como ferramenta de simulação. Em seguida, é
apresentada uma derivação passo a passo do método adjunto, que permite o cálculo eficiente de
informações de sensibilidade para perturbações espaciais na distribuição de materiais.
Diversas portas lógicas, incluindo OR, AND, XOR, NAND e NOR, são otimizadas por meio de
uma função objetivo customizada, que incorpora restrições de amplitude, fase e simetria. Os
dispositivos obtidos apresentam alto contraste lógico e áreas reduzidas, com pegadas ópticas de
até 4.00 µm2
Os resultados validam o uso do design inverso baseado no método adjunto como
ferramenta eficaz para a síntese de dispositivos fotônicos de alto desempenho e compatíveis
com processos de fabricação. O método desenvolvido neste trabalho estabelece uma base para o
desenvolvimento de lógica óptica escalável e reconfigurável, aproximando-nos da realização de
arquiteturas computacionais fotônicas integradas.
Assunto
Engenharia elétrica, Fotônicos, Maxwell, Equações de, Método dos elementos finitos, Lógica de computador
Palavras-chave
Inverse design, Photonic logic gates, Topology optimization, Adjoint method, Optical computing, Nanophotonics
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