基于辅助热扩散求解器的 3D 纳米光子器件逆向设计及结构完整性
光学
2025-04-01 v3 计算物理
摘要
3D 增材制造使纳米光子结构能够以亚波长特征控制光在宏观尺度上的传播。梯度优化为设计这些复杂且非直觉的结构提供了高效方法。然而，将该方法从 2D 扩展到 3D 引入了诸多复杂性，如结构完整性和连通性的需求。本 work 引入一种多目标优化方法以解决 3D 纳米光子设计中的这些挑战。该方法将电磁仿真与辅助热扩散求解器相结合，以确保材料与空洞的连续性。通过将材料区域建模为热源、边界建模为热汇，我们优化结构以最小化总温度，从而惩罚无法散热的断开区域。除了光学响应外，热量度量也成为目标函数的一部分。我们通过设计两个 3D 纳米光子器件来展示算法的实用性：第一个是聚焦元件，第二个是波导交叉结构，将两个不同波长的入射波导连接到两个与入射波导旋转 90{\deg} 的出射波导。我们的做法生成用于可制造纳米光子材料的数字蓝图，为实际的 3D 纳米打印应用铺平了道路。
引用
@article{arxiv.2501.05900,
title = {Inverse Design of 3D Nanophotonic Devices with Structural Integrity Using Auxiliary Thermal Solvers},
author = {Oliver Kuster and Yannick Augenstein and Roberto Narváez Hernández and Carsten Rockstuhl and Thomas Jebb Sturges},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.05900},
year = {2025}
}