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APL Photonics更新 | 人工智能驅(qū)動的光電子技術(shù):革新設(shè)計和建模

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發(fā)表于 2024-9-18 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
引言& K8 D: ^& t0 E7 x, V6 _6 K- n
人工智能(AI)正在改變光電子技術(shù)的格局,為正向建模和反向設(shè)計挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新解決方案。本文探討了AI在光電子技術(shù)中的前沿應用,重點關(guān)注兩種主要方法:用于正向建模的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PINNs)和用于反向設(shè)計的強化學習(RL)[1]。
$ j# i1 w/ }6 m0 y" w# K
7 u1 c. l. ~/ X7 h# v8 O

' x4 I) t% H7 |* @# _基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向建模% R$ z& _. o8 l
傳統(tǒng)的光電子器件建模方法通常依賴于通過耗時的數(shù)值模擬生成的大量數(shù)據(jù)集。PINNs通過將物理定律直接納入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提供了一種有前景的替代方案,無需大型訓練數(shù)據(jù)集。; m) `7 z; M- N; p" a* k

8 W( H4 Z( r3 s7 N! c* C: w
8 I" y; {6 q. s9 i& ]. P圖1:利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可微分性來估計和施加所需的物理約束。+ q2 ^. `( s7 X6 I. a+ {- h( _

4 _6 Q8 G  V& X9 j5 B$ u在光電子技術(shù)中,PINNs可用于波導的模態(tài)分析。網(wǎng)絡(luò)被訓練來解決歸一化的亥姆霍茲方程:* q* w9 S! O, q* }
  ^' K+ t. z; f! i& I3 a, B
d2?/d???2 + (n2(???) - n2eff)? = 0' @2 f$ A1 C9 W, x
% A0 J! ^, u8 }
其中,???是歸一化的空間維度,?表示電場的y方向分量,n(???)表示折射率剖面,neff是結(jié)構(gòu)的有效折射率。
. i# |3 ~  J+ ?, Y+ M: ]8 C
6 N9 r" I9 s$ T/ q0 r( OPINNs方法具有以下優(yōu)勢:
  • 無網(wǎng)格特性:網(wǎng)絡(luò)在用戶定義的點云上運行,無需復雜的網(wǎng)格劃分技術(shù)。
  • 連續(xù)性:學習到的函數(shù)在整個解域中保持連續(xù)。
  • 靈活性:PINNs可以輕松適應不同的器件幾何形狀和材料特性。
    % A* {( i' {8 C. B! C! }  |. w2 o[/ol]. H  ~: G3 b" F2 }) w8 ^& I' D& i
    一項關(guān)于平板波導的案例研究展示了PINNs在預測傳播模式及其相應有效折射率方面的有效性。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的有限差分方法相比,PINNs可以實現(xiàn)更高的精度,特別是在粗略離散化的情況下。: N' w, M, G$ R' g' O# U. X1 J

    " k0 e7 f3 Z+ ^/ l; [   R5 s  C# B6 ~( _
    圖2:平板波導的示意圖。/ f# g9 N2 j3 |8 I+ p/ s

    % J$ u) A2 X' J) I基于強化學習的反向設(shè)計
    - V" a# R" I, Z' C$ c1 t$ ~  e# V, l6 b光電子技術(shù)中的反向設(shè)計旨在確定能夠?qū)崿F(xiàn)所需光學特性的最佳器件參數(shù)。傳統(tǒng)優(yōu)化方法通常難以處理大型設(shè)計空間和復雜約束。強化學習(RL)通過與環(huán)境交互學習最佳設(shè)計策略,提供了一種有前景的替代方案。& r0 G/ \. L4 T: t
    % Y% R2 {" H4 B; _: `
    Actor-Critic(A2C)RL方法特別適合光電子反向設(shè)計。結(jié)合了價值估計和策略改進,允許高效探索設(shè)計空間。! A) _+ i5 N3 Q( G  b

    8 S7 S- Y; ?3 ?" q& m5 j2 e* o # @* K% Z: l# L. `) p, t$ [6 y* b, \7 T
    圖3:簡單的MDP示意圖。6 V1 v4 a- `* H% q
    * s8 @7 h9 n) `# G
    一項關(guān)于優(yōu)化光柵耦合器的案例研究展示了RL在光電子反向設(shè)計中的強大能力。A2C-RL方法僅用14次迭代就實現(xiàn)了比初始設(shè)計提高34%的透射率,優(yōu)于傳統(tǒng)的粒子群優(yōu)化(PSO)方法。0 N/ R1 \- x6 F

    ) G9 q* D; L& t  E) ~4 ^ ! k& m! F  L4 V$ m
    圖4:(a) 光柵耦合器的3D模型。(b) 對應的2D模型,提供了幾何參數(shù)、使用的材料和仿真環(huán)境中使用的邊界條件的詳細表示。
    , @+ j& f/ Z- u% j/ ?* Y0 A) [
    5 ]/ @7 E! T$ a$ `, A& dRL方法用于反向設(shè)計的主要優(yōu)勢包括:1 K  Y: ], W) g- Q9 X
  • 高效探索大型設(shè)計空間
  • 能夠同時處理多個設(shè)計參數(shù)
  • 有可能發(fā)現(xiàn)新穎、非直觀的設(shè)計/ u2 C) S9 {$ E" e  e; p$ I
    0 D8 U8 B9 d8 v# e2 d2 D
    未來發(fā)展方向
    ' ]# E9 A) j- g7 A# R+ N  V, OAI技術(shù)在光電子技術(shù)中的應用為未來的研究和應用開辟了新的機遇。有前景的方向包括:
  • 物理信息神經(jīng)算子(PINOs):這些模型可以解決整個微分方程族,可能導致量子光電子技術(shù)跨域分析的即時求解器。
  • 基于RL的通用光電子優(yōu)化器(GPO):一種多用途優(yōu)化工具,能夠提高各種應用領(lǐng)域中光電子器件的性能。
  • AI光電子設(shè)計和探索專家(PhoDex-AI):一個全AI系統(tǒng),結(jié)合PINOs進行正向建模,RL進行優(yōu)化,以及大型語言模型進行用戶交互。
    % W4 q9 A; C8 H' ~# h0 X/ c5 ~. }[/ol]! D  ^  e2 u- J9 k" l
    * {, h1 }+ A% L6 f) k- ~
    6 B; T$ J3 n7 O/ M1 |$ s9 @; P$ C- m
    圖5:設(shè)想的AI光電子設(shè)計和探索專家(PhoDex-AI)軟件工具框圖。該工具包括模仿光電子器件行為的物理信息神經(jīng)算子(PINOs),全局優(yōu)化光電子器件性能的RL優(yōu)化器,以及用于與用戶交流的大型語言模型(LLM),如生成預訓練轉(zhuǎn)換器(GPT)。  R% q2 `5 ]6 L5 D; m' v1 g4 b
    : C( t$ _7 h  c' W
    結(jié)論
    " K7 A3 ^! \( A! @% g: OAI驅(qū)動的方法正在徹底改變光電子技術(shù)領(lǐng)域,為正向建模和反向設(shè)計提供強大的工具。PINNs為解決復雜的光電子問題提供了一種高效、無需數(shù)據(jù)的方法,而RL技術(shù)則能夠探索廣闊的設(shè)計空間,發(fā)現(xiàn)最佳器件配置。隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展,可以期待在光電子器件設(shè)計方面取得前所未有的進展,從而在各個領(lǐng)域帶來新的應用和性能提升。
    5 r  \( N2 O" u' H' k: t! M- ^
    & a0 l, e9 m; R+ s% ^, K參考文獻[1] M. G. Mahmoud, A. S. Hares, M. F. O. Hameed, M. S. El-Azab, and S. S. A. Obayya, "AI-driven photonics: Unleashing the power of AI to disrupt the future of photonics," APL Photonics, vol. 9, no. 8, p. 080902, Aug. 2024, doi: 10.1063/5.0220766.
    " @! [# Q; ?# R: Y7 C- C: Q3 f9 B$ V% X8 I+ `  J
    - END -2 m( b4 r% y; W6 P7 t, H

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    + F3 Q" I$ p4 O5 d歡迎轉(zhuǎn)載/ c" I/ Q3 @$ Z0 R, T  L3 j4 B
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    轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!' R" d) [5 V4 o$ L
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    - x* A1 p: o- a* s5 O1 \關(guān)于我們:
    ( P9 }1 b. q0 D* D% Z& `+ i" w5 l深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。8 k) Y) T/ `$ _. V4 ]1 G' {

    + x( Q: {3 Q+ e! d8 q; c6 Ohttp://www.latitudeda.com/" e/ H: _$ ~% S6 s
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