Adjoint inverse design as a method for engineering photonic logic gates

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.