Scientific Reports | 深度學(xué)習(xí)在納米光電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
6 s% F0 W8 D& x! Z! [( u納米光電子技術(shù)通過在亞波長尺度上精確控制光與物質(zhì)的相互作用，導(dǎo)致了生物學(xué)、納米技術(shù)和光通信等領(lǐng)域的突破。然而，設(shè)計(jì)和優(yōu)化納米光電子結(jié)構(gòu)通常需要復(fù)雜的數(shù)值模擬，這些模擬計(jì)算量大。深度學(xué)習(xí)為加速這一過程并實(shí)現(xiàn)納米光電子器件更高效的反向設(shè)計(jì)提供了有前景的方法。

& Y0 N7 w9 d. _" E- _本文探討如何應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測納米光電子結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性并解決反向設(shè)計(jì)問題。重點(diǎn)關(guān)注基于非線性環(huán)形諧振器的全光學(xué)等離子體開關(guān)（AOPS）的例子[1]。
' J# F% t* a( r! g

3 R: ^, T# l( M8 e" I5 d/ d深度學(xué)習(xí)在納米光電子技術(shù)中的優(yōu)勢
9 p3 D4 c1 i* C* p7 H; U  Z6 z深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長學(xué)習(xí)輸入和輸出之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。對于納米光電子結(jié)構(gòu)，我們可以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)將幾何參數(shù)映射到光譜，或反之亦然。這允許在不運(yùn)行耗時(shí)的電磁模擬的情況下快速預(yù)測結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)。
4 y( D. h) ?. d% X
在納米光電子技術(shù)中使用深度學(xué)習(xí)的主要優(yōu)勢包括：
& w# B% E( V4 D3 y" ]; g7 ~1 q" A3 ]1. 速度：一旦訓(xùn)練完成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在毫秒內(nèi)預(yù)測光譜或設(shè)計(jì)參數(shù)，而傳統(tǒng)模擬需要數(shù)小時(shí)。
2. 反向設(shè)計(jì)：可以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)解決確定結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需光學(xué)響應(yīng)的反向問題。
3. 泛化：訓(xùn)練良好的網(wǎng)絡(luò)可以在訓(xùn)練樣本之間進(jìn)行插值，以預(yù)測新結(jié)構(gòu)的行為。
  n1 A0 z0 [: v% m* Q' k$ t8 x4. 多目標(biāo)優(yōu)化：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于快速探索大型設(shè)計(jì)空間并同時(shí)優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)。

% z" m1 c  S  [7 Z6 k2 ^讓我們看看如何將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于全光學(xué)等離子體開關(guān)的設(shè)計(jì)。

& T+ C9 @( \9 b0 o! a, W6 J" O( }全光學(xué)等離子體開關(guān)設(shè)計(jì)
論文重點(diǎn)研究基于方形非線性等離子體環(huán)形諧振器（NPRR）的AOPS器件。這些器件利用克爾非線性效應(yīng)，通過調(diào)制輸入強(qiáng)度在輸出端口之間切換光。
+ K3 z( G: T' O; B6 ~
圖1：方形AOPS結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了關(guān)鍵幾何參數(shù)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是波導(dǎo)的寬度（Wbus、Wdrop、Wsquare）和間隙（Gbus、Gdrop）。通過調(diào)整這些參數(shù)，我們可以控制器件的共振波長和開關(guān)行為。
3 O: _2 q: e2 q$ h9 W" O
傳統(tǒng)上，優(yōu)化這些參數(shù)需要運(yùn)行許多電磁模擬來掃描參數(shù)空間。相反，我們可以使用深度學(xué)習(xí)來快速預(yù)測光譜并解決反向設(shè)計(jì)問題。
- w2 v3 `6 ]$ x+ E
深度學(xué)習(xí)工作流程
深度學(xué)習(xí)方法涉及以下關(guān)鍵步驟：
- B: `4 l6 s& F9 e1. 數(shù)據(jù)生成：使用電磁模擬（如FDTD）生成幾何參數(shù)和相應(yīng)透射光譜的數(shù)據(jù)集。
2. 數(shù)據(jù)預(yù)處理：應(yīng)用如田口方法等技術(shù)，有效地采樣參數(shù)空間并減少所需的數(shù)據(jù)集大小。
- }! U# z1 f& A8 M. F3. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：創(chuàng)建合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通常是具有多個(gè)隱藏層的全連接網(wǎng)絡(luò)。
" W3 t6 H% v" Z4. 訓(xùn)練：在數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化權(quán)重以最小化預(yù)測誤差。
' z$ ]  h- `- f9 B. k5. 驗(yàn)證：在保留的數(shù)據(jù)上測試訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，以評估泛化性能。
1 s9 s- X" W6 b: i& S* i  h! P6. 應(yīng)用：使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速光譜預(yù)測和反向設(shè)計(jì)任務(wù)。
. f# ]4 y6 P& s. F
讓我們更詳細(xì)地檢查每個(gè)步驟。
4 j1 @% E$ i7 g/ X
* T0 d3 }) R4 Y& F5 b& ^數(shù)據(jù)生成和預(yù)處理
8 d% V5 S7 Y: O- o: v" E0 v/ _; `生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)通常是最耗時(shí)的步驟。作者使用FDTD模擬創(chuàng)建了包含18,432個(gè)獨(dú)特參數(shù)組合和光譜的數(shù)據(jù)集。為了降低計(jì)算成本，應(yīng)用了田口方法來策略性地采樣參數(shù)空間。

& m. b, p6 ]2 P) B7 `: [; K- M田口方法允許將數(shù)據(jù)集減少到完整參數(shù)掃描的1/16，而不顯著影響模型性能。這突顯了在將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于納米光電子技術(shù)時(shí)，智能數(shù)據(jù)生成策略的重要性。
- l: l) ]5 o5 ]3 Z! _: t9 `  x
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
5 I# Z+ E1 x3 a5 }作者使用了具有11個(gè)隱藏層的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。中心隱藏層包含160個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元數(shù)量向輸入和輸出層遞減。

  q9 N# q: w8 }, Q4 k圖2：用于光譜預(yù)測的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。
0 i7 C! q$ |. z- N1 p& s& i/ H
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征包括：
- ]$ z7 _5 v* }

過完備隱藏層以增強(qiáng)表示能力

Leaky ReLU激活函數(shù)以防止梯度消失

Adam優(yōu)化器以實(shí)現(xiàn)高效訓(xùn)練

7 V% d+ ?; O$ T3 E$ D網(wǎng)絡(luò)以幾何參數(shù)和波長作為輸入，并預(yù)測透射光譜作為輸出。
9 L3 G+ r! r' r' y
$ M+ M6 O; r1 B7 _+ X6 M% a$ R. u訓(xùn)練和驗(yàn)證
) k  r7 y' L4 s9 L5 L' @4 j0 I數(shù)據(jù)集被分為70%訓(xùn)練集、15%驗(yàn)證集和15%測試集。網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練以最小化預(yù)測光譜和實(shí)際光譜之間的均方誤差。
9 j; n3 T0 e' x3 G6 p
圖3：訓(xùn)練損失曲線，顯示在初始階段誤差顯著下降。

, @  S9 ^# [* h2 t+ B最終模型在驗(yàn)證集上達(dá)到0.028的損失，在測試集上達(dá)到0.03的損失，表明對未見過的數(shù)據(jù)有良好的泛化能力。
) g+ \# u6 X3 k
為了評估性能，作者比較了對訓(xùn)練中未見過的結(jié)構(gòu)的預(yù)測光譜和實(shí)際FDTD模擬結(jié)果。
6 U' r: u9 W4 R9 t. H" _
圖4：對未見過結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測光譜（紅色）與實(shí)際FDTD模擬（藍(lán)色）的比較。

, R5 c5 {& d2 E) ^% B( u/ `& q預(yù)測光譜與實(shí)際光譜之間的密切匹配展示了網(wǎng)絡(luò)捕捉復(fù)雜光譜特征的能力。

深度學(xué)習(xí)在AOPS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
通過訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，可以快速探索設(shè)計(jì)空間并優(yōu)化AOPS器件。
作者展示了兩個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用：
5 o1 t& T1 \+ K; M% q4 F1. 正向模型：預(yù)測給定幾何參數(shù)的透射光譜。
2. 反向模型：確定實(shí)現(xiàn)所需光譜的幾何參數(shù)。
1 @9 K. P) d, e2 M) X' k7 p
對于正向模型，網(wǎng)絡(luò)可以在幾分鐘內(nèi)生成數(shù)百萬個(gè)結(jié)構(gòu)的光譜，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)空間探索。這允許識別特定波長或開關(guān)性能的最佳參數(shù)。
1 l9 r6 I" x( e
圖5：透射光譜和光場分布，顯示AOPS開關(guān)性能。

反向模型允許確定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光譜的幾何參數(shù)。這使得可以為特定應(yīng)用或波長設(shè)計(jì)器件。

圖6：目標(biāo)光譜（藍(lán)色）與反向模型預(yù)測光譜（紅色）的比較。
2 x; T6 C8 i/ b8 e" ~
9 h  K& V: b7 D* ^目標(biāo)光譜和預(yù)測光譜之間的密切匹配突顯了深度學(xué)習(xí)在納米光電子反向設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大力量。

7 T- S8 C/ z" ]; K* d7 Y+ g0 J結(jié)論
深度學(xué)習(xí)為加速設(shè)計(jì)和優(yōu)化諸如全光學(xué)等離子體開關(guān)等納米光電子結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的方法。通過在模擬數(shù)據(jù)上訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)特性的快速預(yù)測并解決反向設(shè)計(jì)問題。

* f8 j$ u+ c+ g1 e6 u主要優(yōu)勢包括：
1 d# M& L: ?6 \5 o6 k; W

與電磁模擬相比，光譜預(yù)測速度提高了幾個(gè)數(shù)量級

能夠高效解決反向設(shè)計(jì)問題

快速探索大型設(shè)計(jì)空間以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化

3 K! |" i( g, A0 y參考文獻(xiàn)
. C0 J, Z6 b4 S+ X3 M[1] E. Adibnia, M. Ghadrdan, and M. A. Mansouri-Birjandi, "Nanophotonic structure inverse design for switching application using deep learning," Scientific Reports, vol. 14, no. 1, p. 21094, Feb. 2024, doi: 10.1038/s41598-024-72125-4.

& O5 g/ p# x+ u8 k  P" fEND


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?bào)w驗(yàn)免費(fèi)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 g& N* }6 V% T+ r點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
; M1 d, }* m& A( f& G& p6 C
( _# I6 ^; u) q/ s5 M  {+ {歡迎轉(zhuǎn)載

4 j6 H7 }0 ^% C* z9 ~/ J轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
/ W( N- |! E) N0 u* M6 M


* I; @+ B3 y  E; {( r7 |
( w9 e; U4 V& U. J/ I5 p# a
8 u0 e) h! \8 ?* ?6 x關(guān)注我們

' ?3 m' j, [: h8 \6 y* _( j! k

5 a7 [/ C6 V$ S, a8 r- w

                     
$ Y! J5 R7 V4 g( G+ n6 N" e
6 W) R! h: \% g$ ~) n4 ^% S: _, D
$ B# l4 |( j8 n
* v# F8 b! c. E+ O5 C, f關(guān)于我們：
/ c; O7 j/ b' @2 F' }8 o) V. R1 S  A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)。

http://www.latitudeda.com/
/ @: v. h7 @  t( k, ]% Q* Z（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）