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Inverse design of optical signal processing system.

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MacLellan, Benjamin (2021). Inverse design of optical signal processing system. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 124 p.

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Résumé

Les méthodes de conception inverses - techniques algorithmiques pour découvrir de nouveaux systèmes basés sur les caractéristiques fonctionnelles souhaitées - sont des techniques informatiques puissantes utilisées dans un large éventail de disciplines scientifiques et d’ingénierie. En optique, la conception inverse a accéléré le développement de nouveaux systèmes de lentilles optiques hautes performances, de composants nanophotoniques et de configurations expérimentales d’optique quantique, entre autres. Ce travail développe de nouvelles techniques de conception inverses pour concevoir automatiquement de nouveaux systèmes optiques, en particulier pour des configurations de traitement optique ultra-rapides. Dans cette approche, les systèmes optiques sont représentés sous la forme d’un graphe de calcul, composé de composants optiques paramétrés. La différenciation automatique fournit une méthode efficace et flexible pour optimiser les paramètres du système et analyser leurs sensibilités aux perturbations. De nouveaux systèmes optiques, qui n’ont pas été explicitement programmés, sont automatiquement produits en changeant itérativement les topologies de graphe via un algorithme évolutif. Les outils algorithmiques ciblent la conception de systèmes de traitement optique ultrarapides et il est montré qu’ils redécouvrent une variété de techniques optiques connues et non triviales avec une application dans un grand nombre de technologies.

Inverse design methods – algorithmic techniques for discovering new systems based on desired functional characteristics – are powerful computational techniques utilized in a wide array of scientific and engineering disciplines. In optics, inverse design has accelerated the development of new, high performing optical lens systems, nanophotonic components, and quantum optics experimental setups, among others. This work develops novel, inverse design techniques for automatically designing new optical systems, specifically towards optical signal processing setups. In this approach, optical systems are represented as a computational graph, comprised of parameterized conventional optical components. Automatic differentiation provides an efficient and flexible method to optimize system parameters and analyze their sensitivities to perturbations. New optical systems, which have not been explicitly programmed, are automatically produced by iteratively changing the graph topologies via an evolutionary algorithm. The highly general and flexible methodology developed in this work is demonstrated to re-discover a variety of known optical systems, proving its effectiveness and highlighting its potential to expedite the discovery and design of entirely new photonic systems for a broad range of applications.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto
Mots-clés libres: conception inverse; traitement des signaux optiques; optique ultra-rapide; modélisation du système optique; différenciation automatique; algorithmes évolutifs; descente gradient; analyse de Hesse; optimisation de la topologie du graphe; inverse design; optical signal processing; ultrafast optics; automatic differentiation; evolutionary algorithms; gradient descent; Hessian analysis; graph topology optimization
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 nov. 2021 14:42
Dernière modification: 20 nov. 2021 05:00
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12073

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