Omvendt designsoftware automatiserer designprocessen til optisk, nanofotoniske strukturer

Stanford University-forskere skabte en omvendt designkodebase kaldet SPINS, der kan hjælpe forskere med at udforske forskellige designmetoder for at finde fabrikerbare optiske og nanofotoniske strukturer.

I journalen Anvendt fysik anmeldelser Logan Su og kolleger gennemgår omvendt designs potentiale for optiske og nanofotoniske strukturer, samt præsentere og forklare, hvordan man bruger deres egen inverse designkodebase.

"Ideen med omvendt design er at bruge mere sofistikerede optimeringsalgoritmer og automatisere søgningen efter en struktur, "Su forklarede. "Det ultimative mål er at få en designer til at indtaste deres ønskede præstationsmålinger og blot vente på, at algoritmen genererer den bedst mulige enhed."

Integreret fotonik har mange potentielle applikationer, lige fra optiske sammenkoblinger til sansning til kvanteberegning.

Inspireret af populære maskinlæringsbiblioteker som TensorFlow og PyTorch, SPINS er en fotonisk designramme, der lægger vægt på fleksibilitet og reproducerbare resultater. SPINS er blevet brugt internt af gruppen til at designe et sortiment af enheder, og gruppen gør det tilgængeligt for andre forskere at bruge.

"Matematikken bag vores optimeringsteknikker kommer fra det matematiske optimeringsfællesskab, " sagde Su. "Men vi låner også ideer fra optimeringsfællesskabet inden for mekanisk og fluidmekanik, hvor de bruger lignende optimeringsmetoder til at designe mekaniske strukturer og bæreflader, før de bliver adopteret i fotonik."

Omvendt design "automatiserer designprocessen for optiske og fotoniske elementer, " sagde han. "Traditionelt, fotoniske enheder er hånddesignede, i den forstand, at en designer først kommer med den grundlæggende geometriske form af strukturer, såsom en cirkel, og udfører derefter et par parametersweep af cirklens radius for at forbedre enhedens ydeevne."

Denne proces er arbejdskrævende og har en tendens til at ignorere en stor klasse af enheder med mere komplicerede former, der har potentialet til meget bedre ydeevne.

"Udskiftning af elektriske forbindelser med fotoniske forbindelser i datacentre, for eksempel, kunne muliggøre en stigning i hukommelsesbåndbredden og samtidig reducere energiomkostningerne væsentligt, " sagde Su.

Fotoniske neurale netværk lover også hurtigere driftshastigheder med lavere energibehov sammenlignet med elektronisk hardware, og metasurface optik lover nye optiske funktionaliteter, der er billigere og størrelsesordener mindre end deres traditionelle voluminøse optiske elementer.

"En del af barrieren for overtagelsen af ​​disse teknologier er ydeevnen af ​​de fotoniske komponenter, der udgør dette system, " sagde Su. "Ved at udvikle en bedre optimeringsmetode til at designe disse fotoniske komponenter, Vi håber ikke kun at forbedre disse teknologiers ydeevne til kommerciel levedygtighed, men også åbne nye muligheder for integreret fotonik. "