|
引言% c& k5 b8 L. }6 Z( f0 W. k3 ]
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]。
$ u8 b! v. O8 d# u& L
, w1 Z' b8 Y5 n9 M( g& o2 y
" O/ q8 ]. l F$ B# x ]: F5 ]+ ^基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向建模
* e. B' [( M3 w傳統(tǒng)的光電子器件建模方法通常依賴于通過(guò)耗時(shí)的數(shù)值模擬生成的大量數(shù)據(jù)集。PINNs通過(guò)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(wú)需大型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。
/ c; g, J4 o$ [5 |3 K4 i- o8 j6 ?6 J4 a# {; G8 q! {5 ~5 o0 z
x3wqqn2mxbd64034876705.png (132.37 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
x3wqqn2mxbd64034876705.png
2024-9-24 01:03 上傳
% ?: P; J8 }, I, g9 o
圖1:利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可微分性來(lái)估計(jì)和施加所需的物理約束。, f: G# I# Y4 p; N: o9 E; \1 H; `
- B1 T4 U0 g" h0 H8 Z: X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(lái)解決歸一化的亥姆霍茲方程: } g7 v& L T' `' H @+ e
% G* I- }9 W6 Yd2?/d???2 + (n2(???) - n2eff)? = 0- @% n$ _7 a5 x$ R1 T1 [
9 w' {/ w( L) Z
其中,???是歸一化的空間維度,?表示電場(chǎng)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。* }. m L. ]0 S, o6 X0 Q
/ j8 D/ M9 l* {) v7 K/ }PINNs方法具有以下優(yōu)勢(shì):無(wú)網(wǎng)格特性:網(wǎng)絡(luò)在用戶定義的點(diǎn)云上運(yùn)行,無(wú)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。
! z+ P( x/ g+ v[/ol]
- q3 o( l" r; r( \: ?/ f. _8 X% o一項(xiàng)關(guān)于平板波導(dǎo)的案例研究展示了PINNs在預(yù)測(cè)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。
( w) ^( L7 f. I* Z) g; F7 ~, a" a5 H3 ]6 G) q, f
kp4apaaterg64034876805.png (17.94 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
kp4apaaterg64034876805.png
2024-9-24 01:03 上傳
; X! m/ z8 T3 e7 u* B% U2 E. H( B
圖2:平板波導(dǎo)的示意圖。% _! A2 P# _# `' W6 E) U g& ]- U
: z, [, p9 D6 H; z% d7 l* z% U
基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的反向設(shè)計(jì)/ Z* o, r! E' q" F& x
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(guò)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。
- w4 e: W/ v8 A2 y3 i/ D& W! O9 v% d+ H. _/ B
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。
6 z5 O# P; w+ Y# ~+ O
" z5 |9 t! I' D! S: z. ]$ t2 N+ j
rws2q4wp3w564034876905.png (39.12 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
rws2q4wp3w564034876905.png
2024-9-24 01:03 上傳
4 `- N% l7 z* ]7 @( K
圖3:簡(jiǎn)單的MDP示意圖。6 @% o' a# D* H( o) f
" `& M+ x# H' Y* Q5 W, m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。- }; s; n5 W3 _. ~4 G
, `- p3 v2 O O- ^ l
xqo12dph3si64034877006.png (170.7 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
xqo12dph3si64034877006.png
2024-9-24 01:03 上傳
V: j2 Z8 v! q9 `) k% S圖4:(a) 光柵耦合器的3D模型。(b) 對(duì)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。2 C3 ?) u" s7 {+ |8 X1 @! R
" V9 ?. d1 i# j2 Y4 s$ K/ n4 z
RL方法用于反向設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)包括:
& K8 l3 _$ a; b# e: h y' ^8 A0 T6 Z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)
0 n: ]# Y& P# h. _
; v4 }: [) g) K' R" O. u- n! _: c, y未來(lái)發(fā)展方向
9 D4 z! ]$ L3 _- S! XAI技術(shù)在光電子技術(shù)中的應(yīng)用為未來(lái)的研究和應(yīng)用開(kāi)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(yǔ)言模型進(jìn)行用戶交互。, w; r, o: A3 h
[/ol]% w0 X$ @( T6 H" }. z4 U2 C# ^
6 y" y& B+ w% {. ?# ]/ j4 n& }# Z7 X
xi2ohjfzuwy64034877106.png (258.99 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
xi2ohjfzuwy64034877106.png
2024-9-24 01:03 上傳
3 B8 V Z0 y% K# y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(yǔ)言模型(LLM),如生成預(yù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)換器(GPT)。2 R; G' X8 ~3 v( d6 z
4 A6 ^3 x5 K" |結(jié)論
9 f" M9 S8 J8 E9 a0 L- W/ IAI驅(qū)動(dòng)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(wèn)題提供了一種高效、無(wú)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(lái)新的應(yīng)用和性能提升。' |( H ^& V5 H% d; }5 y
4 n/ G, ~0 \4 Z/ ?6 H4 X
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.
" n, l2 P$ ]$ P, n( a6 j2 N! p$ A
8 q9 m* F; \3 A5 b% A3 _. `- END -+ M {! u5 s5 i Z
% _; [! O9 i$ d軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。6 f* C7 D- U1 L' M6 L( d9 H! u
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
5 d5 e' n3 [1 v9 `9 D. b* G1 j
歡迎轉(zhuǎn)載% A. Z- k& V) }9 W# v3 H: J
5 G3 [# d! s* M/ V3 ~% Y1 U' [9 P1 J
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
9 R- j+ q3 {/ I# I* S! w* d* O- A5 Q4 c$ V ~# O$ Q
2 a8 x. D0 a+ n% o. O
2 }* z E' j! ~6 s! b+ T
1xbqytdx2le64034877206.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
1xbqytdx2le64034877206.gif
2024-9-24 01:03 上傳
: @! @3 H/ p1 O# ^ L1 g/ b6 i* p
* p2 O; U9 |8 b8 S) f, Y/ Y& y關(guān)注我們) O8 q4 ?' S2 ]7 ^' j5 o @+ ~" \
# P( L+ \' w) p! c0 T: \3 P P$ J- Z0 s% G' H
olztir1csqu64034877306.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
olztir1csqu64034877306.png
2024-9-24 01:03 上傳
- t- D' m7 [. ^' J/ Q4 X2 h |
" M& a5 E. @. {2 w; w" K# [
ri5vitqgiyr64034877406.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
ri5vitqgiyr64034877406.png
2024-9-24 01:03 上傳
9 O) V& U4 Z0 u1 Y/ B( i% K | 8 l; f: x: D; o/ g3 m3 G$ Q* W- A+ J4 q
0yijdcluray64034877506.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
0yijdcluray64034877506.png
2024-9-24 01:03 上傳
1 A! s: W0 u w& G' W2 K |
% j7 `8 U* L: U3 s K1 f- K% Y( S$ r7 ?# I1 Y6 F! T3 x4 A* p
2 ^: w9 F/ D% m3 |
' }$ r9 c* d1 p" l9 \# Y關(guān)于我們:! j3 j) C; n5 n" c
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(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)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(duì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。! S/ P, z+ S3 m4 `9 Y) R; y
. W$ i7 B. k9 q$ U! F$ Ahttp://www.latitudeda.com/
8 M" @' \& `' K' r/ w(點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|