Сравнение двух подходов к расчету интерференционных оптических элементов на фотонно-кристаллических структурах
Автор: Кривошеева Ю.Ю., Головашкин Д.Л., Павельев В.С.
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 4 т.49, 2025 года.
Бесплатный доступ
На примерах таких фотонно-кристаллических интерференционных оптических элементов, как изгибы волноведущих структур, узел пересечения трех волноводов, узел ввода излучения, Y-образный логический элемент «НЕ» и логический элемент «НЕ» на кристалле с самоколлимацией, рассматриваются два подхода к расчету элементов интегральной оптики: методы безградиентной оптимизации (методы оптимизации нулевого порядка) и генетический алгоритм. Оба подхода используют решение прямой задачи дифракции FDTD-методом. Делаются выводы о возможности применения данных подходов к расчету фотонно-кристаллических оптических элементов: сравнение рассчитанных результатов по критерию эффективности демонстрирует преимущество авторского модифицированного генетического алгоритма по сравнению с методами покоординатного спуска и Хука–Дживса для элементов, в которых излучение распространяется не по прямолинейному пути, а для элементов, проводящих излучение по прямому волноводу, методы оптимизации нулевого порядка дают такую же эффективность, как и генетическая оптимизация (более 99 %), при этом вычислительная сложность данных методов ниже. Особое внимание уделяется рассмотрению метода «частичного перебора». На примере изгиба фотонно-кристаллического волновода на 120° показано, что рассчитанный данным методом элемент характеризуется передачей излучения практически без потерь, при этом вычислительная сложность расчета в 2 раза меньше, чем у генетического алгоритма.
Фотонные кристаллы, интерференционные оптические элементы, генетический алгоритм, методы оптимизации
Короткий адрес: https://sciup.org/140310498
IDR: 140310498 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1603
Comparison of two approaches to the design of interference optical elements on photonic crystal structures
Using examples of photonic crystal interference optical elements such as bends of waveguide structures, an intersection of three waveguides, a radiation input node, a Y-shaped logical gate NOT, and a logical gate NOT on a crystal with self-collimation, we discuss two approaches to the synthesis of integrated optics elements: non-stochastic methods of gradient-free optimization (zero-order optimization methods) and a genetic algorithm. Both approaches involve solving the direct diffraction problem using the FDTD method. We conclude that these approaches are suited for designing photonic crystal optical elements: a comparison of the calculated results in terms of the efficiency criterion demonstrates an advantage of the author's modified genetic algorithm over the coordinate descent and Hooke-Jeeves methods for elements in which radiation does not propagate along a straight path. Meanwhile for elements that conduct radiation along a straight waveguide, zero-order optimization methods provide the same efficiency as genetic optimization (more than 99%), while the computational complexity of these methods is lower. Particular attention is paid to the analysis of the “partial enumeration” method. Using the example of a photonic crystal waveguide with a 120°-bending, it is shown that the element designed using this method is characterized by virtually lossless radiation transmission, while its computational complexity is 2 times lower than that of the genetic algorithm.
