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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(jì)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(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言0 @4 c& A5 W4 ^
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(jì)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(yīng)用，重點(diǎn)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(jì)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）[1]。
8 w) w+ Y( D7 d( e& J7 ^8 K$ j. N. n' P. u. x7 T% U& W
/ W2 Y4 w) G& a) d1 [) [! `
基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向建模1 c- T& o0 r) `/ e- S* B
傳統(tǒng)的光電子器件建模方法通常依賴于通過耗時(shí)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(xùn)練數(shù)據(jù)集。+ m' n5 G' N' L4 Z6 i
6 B/ i# @2 G8 W

& t4 S$ z, F4 q% t圖1：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可微分性來估計(jì)和施加所需的物理約束。5 E! Y1 e  S% S- q. l) i: u4 q
- C. D. d, D0 M6 g# m# c) r2 X, Q
在光電子技術(shù)中，PINNs可用于波導(dǎo)的模態(tài)分析。網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練來解決歸一化的亥姆霍茲方程：
2 r6 W; g' F+ h" ~+ d7 [, _+ N0 T
d2?/d???2 + （n2（???） - n2eff）? = 0
  M" r. V, ^/ J! L( e( a" _* g5 P  f8 x" s; y* i- t6 I
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。* ^! `- q3 O) D' }6 T: t; S6 K" p
. y! S$ X, Y" |( k/ j, ^: ~+ C3 L0 v
PINNs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(diǎn)云上運(yùn)行，無需復(fù)雜的網(wǎng)格劃分技術(shù)。
  • 連續(xù)性：學(xué)習(xí)到的函數(shù)在整個(gè)解域中保持連續(xù)。
  • 靈活性：PINNs可以輕松適應(yīng)不同的器件幾何形狀和材料特性。. W7 W# V5 I. j+ ?9 |5 r
    [/ol]
    9 d6 W* A6 k( o2 i8 s) l; K0 \一項(xiàng)關(guān)于平板波導(dǎo)的案例研究展示了PINNs在預(yù)測傳播模式及其相應(yīng)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(shí)現(xiàn)更高的精度，特別是在粗略離散化的情況下。+ b' j, g) Q4 W; `+ X! {

    8 o0 o  ~7 M) i3 { 8 Y2 O5 l+ Q" w" E& o
    圖2：平板波導(dǎo)的示意圖。
    0 X: E+ \+ L  J) ?- G5 m2 r$ V; _& |
    基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的反向設(shè)計(jì)
    2 H/ a& a6 K2 ~, O4 f光電子技術(shù)中的反向設(shè)計(jì)旨在確定能夠?qū)崿F(xiàn)所需光學(xué)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(jì)空間和復(fù)雜約束。強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）通過與環(huán)境交互學(xué)習(xí)最佳設(shè)計(jì)策略，提供了一種有前景的替代方案。& R8 S9 u6 D# X

    ( v3 I7 b% U& ^1 l( [Actor-Critic（A2C）RL方法特別適合光電子反向設(shè)計(jì)。結(jié)合了價(jià)值估計(jì)和策略改進(jìn)，允許高效探索設(shè)計(jì)空間。' g8 z1 p4 G/ h+ ^7 k7 A. C+ v# V
    ; H; @% t+ E- P
      E' P( K/ w7 w
    圖3：簡單的MDP示意圖。7 M" m7 r0 e; M+ I5 Z) m$ B5 ]# @5 G" y

    ! l) l  U% O5 {- `! o- n一項(xiàng)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(jì)中的強(qiáng)大能力。A2C-RL方法僅用14次迭代就實(shí)現(xiàn)了比初始設(shè)計(jì)提高34%的透射率，優(yōu)于傳統(tǒng)的粒子群優(yōu)化（PSO）方法。
    ' V4 `- b# T& l; z) N. ~  l) E- `* {! `! m/ }+ t8 {
    , r  }) a9 K- |7 y3 r  y4 l* z! N
    圖4：（a） 光柵耦合器的3D模型。（b） 對應(yīng)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(xì)表示。
    & T. c3 C) k, j
    3 }' M9 J* f6 q) `) w' a: a7 QRL方法用于反向設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢包括：$ l/ w- u4 |1 t
  • 高效探索大型設(shè)計(jì)空間
  • 能夠同時(shí)處理多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)
  • 有可能發(fā)現(xiàn)新穎、非直觀的設(shè)計(jì)2 t- J$ O- w( l) r

    ' l4 I& i, Z; J: L, i% g, V( z* x% |未來發(fā)展方向- L$ X3 ?3 k, j0 u! O0 w
    AI技術(shù)在光電子技術(shù)中的應(yīng)用為未來的研究和應(yīng)用開辟了新的機(jī)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(gè)微分方程族，可能導(dǎo)致量子光電子技術(shù)跨域分析的即時(shí)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(yīng)用領(lǐng)域中光電子器件的性能。
  • AI光電子設(shè)計(jì)和探索專家（PhoDex-AI）：一個(gè)全AI系統(tǒng)，結(jié)合PINOs進(jìn)行正向建模，RL進(jìn)行優(yōu)化，以及大型語言模型進(jìn)行用戶交互。
    . h4 P) y* E. H4 p) S# B7 S7 r[/ol]& O) j' Y( P$ x# _2 y  H+ k% P- n
    * U8 Y2 c# v& z9 q
    0 Z" g! m2 s& I
    圖5：設(shè)想的AI光電子設(shè)計(jì)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(yù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)換器（GPT）。
    & V0 L# g" b( L1 _' W$ _6 _/ G  l1 _9 E8 p+ z5 A
    結(jié)論
    ' |* ?+ x; ?8 PAI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(jì)提供強(qiáng)大的工具。PINNs為解決復(fù)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(jì)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(jì)方面取得前所未有的進(jìn)展，從而在各個(gè)領(lǐng)域帶來新的應(yīng)用和性能提升。) s( N) o. \8 I; N# Q" N* O# o1 I
    + g( Q$ q+ Z* u% s4 o+ c% ~
    參考文獻(xiàn)[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.
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    深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)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(jì)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(dǎo)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)。
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