Fotonisk omvänd design ger ett sortiment av icke-intuitiva mönster som kan uppnå bättre prestanda i mindre fotavtryck än vad deras traditionellt designade motsvarigheter kan. Trots de många möjliga designerna för en viss uppgift, analys av designen för en stråldelare avslöjar hur algoritmen producerar enheter som faktiskt kan klassificeras i olika typer baserat på deras struktur och underliggande fysiska principer. Kredit:Logan Su
Forskare från Stanford University skapade en omvänd designkodbas kallad SPINS som kan hjälpa forskare att utforska olika designmetoder för att hitta tillverkningsbara optiska och nanofotoniska strukturer.
I journalen Tillämpad fysik recensioner Logan Su och kollegor granskar invers designs potential för optiska och nanofotoniska strukturer, samt presentera och förklara hur man använder sin egen inverterade designkodbas.
"Idén med invers design är att använda mer sofistikerade optimeringsalgoritmer och automatisera sökningen efter en struktur, "Su förklarade. "Det ultimata målet är att en designer ska mata in sina önskade prestandamått och helt enkelt vänta på att algoritmen ska generera den bästa möjliga enheten."
Integrerad fotonik har många potentiella tillämpningar, allt från optiska sammankopplingar till avkänning till kvantberäkning.
Inspirerad av populära maskininlärningsbibliotek som TensorFlow och PyTorch, SPINS är ett fotoniskt designramverk som betonar flexibilitet och reproducerbara resultat. SPINS har använts internt av gruppen för att designa ett sortiment av enheter, och gruppen gör det tillgängligt för andra forskare att använda.
"Matematiken bakom våra optimeringstekniker kommer från den matematiska optimeringsgemenskapen, ", sa Su. "Men vi lånar också idéer från optimeringsgemenskapen inom mekanisk och vätskemekanik, där de använder liknande optimeringsmetoder för att designa mekaniska strukturer och bärytor innan de används i fotonik."
Invers design "automatiserar designprocessen för optiska och fotoniska element, " sa han. "Traditionellt, fotoniska enheter är handdesignade, i den meningen att en designer först kommer med den grundläggande geometriska formen på strukturerna, som en cirkel, och utför sedan några parametersvep av cirkelns radie för att förbättra enhetens prestanda."
Denna process är arbetsintensiv och tenderar att ignorera en stor klass av enheter med mer komplicerade former som har potential för mycket bättre prestanda.
"Att ersätta elektriska sammankopplingar med fotoniska sammankopplingar inom datacenter, till exempel, skulle kunna möjliggöra en ökning av minnesbandbredden samtidigt som energikostnaderna minskar avsevärt, " sa Su.
Fotoniska neurala nätverk lovar också snabbare drifthastigheter med lägre energibehov jämfört med elektronisk hårdvara, och metasurface-optik lovar nya optiska funktioner som är billigare och storleksordningar mindre än deras traditionella skrymmande optiska element.
"En del av barriären för antagandet av dessa tekniker är prestandan hos de fotoniska komponenterna som utgör systemet, ", sa Su. "Genom att utveckla en bättre optimeringsmetod för att designa dessa fotoniska komponenter, vi hoppas att inte bara förbättra prestandan för dessa tekniker till den grad av kommersiell lönsamhet utan också öppna upp nya möjligheter för integrerad fotonik."
