通过伴随优化与广义 Mie 理论耦合实现功能性光子贴片的逆向设计
光学
2023-07-19 v3
摘要
我们提出了一种严格的功能性光子结构逆向设计方法，将伴随优化方法与二维广义 Mie 理论（2D-GMT）相耦合，用于求解介电纳米柱有限尺寸阵列的多重散射问题，以优化其展现所需功能。我们将这些功能性散射结构称为“光子贴片”。我们简要介绍了 2D-GMT 形式体系，以及实现具有设计辐射特性的光子贴片伴随优化算法所需的关键步骤。特别地，我们展示了几个周期性与非周期性光子贴片的实例，它们具有最优的纳米柱半径与排列方式，用于辐射整形、菲涅耳区波前聚焦，以及在微米级区域上多波长下的局部态密度（LDOS）增强。此外，我们系统比较了不同尺寸的周期性与非周期性贴片的性能，发现优化的非周期性 Vogel 螺旋几何结构在消色差聚焦方面相比其周期性对应结构具有显著优势。我们的结果表明，伴随优化与 2D-GMT 耦合是逆向设计在多重散射机制下运行且具有最优所需功能的紧凑光子器件的稳健方法。无需空间网格划分，与标准数值优化技术相比，我们的方法在大幅降低计算负担的情况下提供了高效解决方案，并为片上光子学与超材料技术提供了紧凑的器件几何结构。
引用
@article{arxiv.2302.02835,
title = {Inverse design of functional photonic patches by adjoint optimization coupled to the generalized Mie theory},
author = {Yilin Zhu and Yuyao Chen and Sean Gorsky and Tornike Shubitidze and Luca Dal Negro},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.02835},
year = {2023}
}