清華大學(xué)在大規(guī)模多任務(wù)納米光子集成器件逆向設(shè)計(jì)上取得新進(jìn)展
硅光子學(xué)技術(shù)使緊湊型集成光子器件具備了多功能性和大規(guī)模生產(chǎn)的能力。然而，高性能自由形式光學(xué)器件的設(shè)計(jì)仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樯婕暗綇?fù)雜的光和物質(zhì)的相互作用，需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行電磁模擬。而當(dāng)需要設(shè)計(jì)多個(gè)硅光子器件時(shí)，這個(gè)問題變得更加突出，通常需要長(zhǎng)時(shí)間的迭代優(yōu)化。解決大規(guī)模硅光子器件的逆向設(shè)計(jì)問題具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)意義。 HyKvDJ
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近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院付紅巖副教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全自動(dòng)大規(guī)模多任務(wù)硅基光子器件的逆向設(shè)計(jì)方法。該方法是一種基于低維傅里葉頻域和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，能在有效控制逆向設(shè)計(jì)器件的最小尺寸的同時(shí)快速訓(xùn)練可用于器件設(shè)計(jì)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，無需任何提前準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)集。 H$2<N@'4z
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圖1.多任務(wù)光子濾波器設(shè)計(jì) +C4UM9
逆向設(shè)計(jì)是將整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域像素化，通過目標(biāo)優(yōu)先的優(yōu)化方法確定器件的具體結(jié)構(gòu)�？紤]到器件加工需求，那些孤立的像素點(diǎn)和狹縫無法加工，因此需要通過平滑結(jié)構(gòu)邊緣來滿足加工需要，這也使得部分設(shè)計(jì)自由度變得冗余。已知傅立葉低頻信號(hào)對(duì)應(yīng)了器件的主體結(jié)構(gòu)，而傅立葉高頻信號(hào)代表了噪聲和圖像中快速變化的信息。僅使用低頻傅立葉分量在重建時(shí)域圖像結(jié)構(gòu)時(shí)能在控制器件最小尺寸的同時(shí)，降低冗余的設(shè)計(jì)自由度。 J[ 6`$$l0
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圖2.最小尺寸控制方法 9r,)Bw!RP
為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)器件優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究人員將設(shè)計(jì)目標(biāo)通過一個(gè)深度生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射到低頻傅立葉分量。這些分量在高頻補(bǔ)零后通過傅立葉逆變化即可還原成器件圖形的具體結(jié)構(gòu)。生成的器件結(jié)構(gòu)通過電磁仿真軟件仿真后得到實(shí)際的光學(xué)響應(yīng)。該響應(yīng)與目標(biāo)光學(xué)響應(yīng)之間的差值可用于生產(chǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。 L4bx [
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