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引言# i' w( T+ |* P j( a! V$ T# d, T
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(yīng)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(xué)習(xí)(RL)[1]。
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基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向建模; q$ Y7 c. O2 A8 q i
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(xùn)練數(shù)據(jù)集。
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8 f7 C( b/ V% k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。
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! M% f' ~) V- V; _- 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:/ }( d9 H# [5 b2 r$ L- Z2 ^- K
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2 `3 Q2 d0 Z9 c6 e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。3 X; l5 s" q$ k4 s" s! e
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PINNs方法具有以下優(yōu)勢:無網(wǎng)格特性:網(wǎng)絡(luò)在用戶定義的點云上運行,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。
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( M t- Q5 S' s/ t% X一項關(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可以實現(xiàn)更高的精度,特別是在粗略離散化的情況下。
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圖2:平板波導(dǎo)的示意圖。
" s+ L, m: o3 K" }
& q6 J+ d% o( _$ {7 c基于強化學(xué)習(xí)的反向設(shè)計
( F( u% \, \, \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(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)計空間和復(fù)雜約束。強化學(xué)習(xí)(RL)通過與環(huán)境交互學(xué)習(xí)最佳設(shè)計策略,提供了一種有前景的替代方案。
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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。
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圖3:簡單的MDP示意圖。9 p- P/ i1 l: y ^
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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。( s( C0 _" b, D, ^0 G H' Q+ H
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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表示。; y2 \9 Y. |$ ^! J( v" i% E! p
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RL方法用于反向設(shè)計的主要優(yōu)勢包括:
! e7 U, [: d0 j5 X: U9 Y+ p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& a( k, R6 \) s. f
& |( l; i& w8 n n+ ~, p未來發(fā)展方向0 I* i# ^4 H6 G% D
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(dǎo)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(yīng)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。
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$ k7 T+ O1 r" j. p! w# r9 v: O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(yù)訓(xùn)練轉(zhuǎn)換器(GPT)。
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P" n7 X3 Q* Q, T- {# v2 {4 N: N結(jié)論
3 T# K; Y, o" [' w2 [AI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(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(yīng)用和性能提升。* Q6 E! h. L% F2 I) g& C
( _$ [# @7 @& k- ]2 ?
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: 10.1063/5.0220766.4 E) G' m4 `; n: B" l- s4 G
0 u2 n' j/ |8 k" p: O; H- END -) T; z$ X. V, a: V5 }6 _
9 ?5 e4 }& K3 e) h軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。6 V1 @& H( z$ Q8 o3 H5 W: i: e5 B* ]
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- \7 j8 R% X5 C( b# h轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!9 F9 T% U V" d. ^
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& g# j# Y% k7 v3 ~* m ~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(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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