Il design inverso fotonico produce un assortimento di design non intuitivi che possono ottenere prestazioni migliori con un ingombro ridotto rispetto alle loro controparti progettate in modo tradizionale. Nonostante la moltitudine di possibili progetti per qualsiasi compito particolare, l'analisi dei progetti per un divisore di fascio rivela come l'algoritmo produce dispositivi che possono essere effettivamente classificati in diversi tipi in base alla loro struttura e ai principi fisici sottostanti. Credito:Logan Su
I ricercatori della Stanford University hanno creato una base di codici di progettazione inversa chiamata SPINS che può aiutare i ricercatori a esplorare diverse metodologie di progettazione per trovare strutture ottiche e nanofotoniche fabbricabili.
Nel diario Recensioni di fisica applicata Logan Su e colleghi esaminano il potenziale del design inverso per le strutture ottiche e nanofotoniche, oltre a presentare e spiegare come utilizzare il proprio codebase di progettazione inversa.
"L'idea del design inverso è quella di utilizzare algoritmi di ottimizzazione più sofisticati e automatizzare la ricerca di una struttura, "Su ha spiegato. "L'obiettivo finale è avere un designer che inserisca le metriche di prestazione desiderate e attenda semplicemente che l'algoritmo generi il miglior dispositivo possibile".
La fotonica integrata ha molte potenziali applicazioni, che vanno dalle interconnessioni ottiche al rilevamento al calcolo quantistico.
Ispirato dalle famose librerie di machine learning come TensorFlow e PyTorch, SPINS è un framework di progettazione fotonica che enfatizza la flessibilità e i risultati riproducibili. SPINS è stato utilizzato internamente dal gruppo per progettare un assortimento di dispositivi, e il gruppo lo sta rendendo disponibile per l'uso da parte di altri ricercatori.
"La matematica alla base delle nostre tecniche di ottimizzazione proviene dalla comunità dell'ottimizzazione matematica, " Ha detto Su. "Ma prendiamo anche in prestito idee dalla comunità dell'ottimizzazione in meccanica e meccanica dei fluidi, dove usano metodi di ottimizzazione simili per progettare strutture meccaniche e profili alari prima della loro adozione nella fotonica".
Il design inverso "automatizza il processo di progettazione di elementi ottici e fotonici, " ha detto. "Tradizionalmente, i dispositivi fotonici sono progettati a mano, nel senso che un progettista escogita prima la forma geometrica di base delle strutture, come un cerchio, e quindi esegue alcune scansioni dei parametri del raggio del cerchio per migliorare le prestazioni del dispositivo."
Questo processo richiede molto lavoro e tende a ignorare un'ampia classe di dispositivi con forme più complicate che hanno il potenziale per prestazioni molto migliori.
"Sostituire le interconnessioni elettriche con le interconnessioni fotoniche all'interno dei data center, Per esempio, potrebbe consentire un aumento della larghezza di banda della memoria riducendo sostanzialmente i costi energetici, " disse Su.
Le reti neurali fotoniche promettono anche velocità operative più elevate con requisiti energetici inferiori rispetto all'hardware elettronico, e l'ottica della metasuperficie promettono nuove funzionalità ottiche che sono più economiche e ordini di grandezza inferiori rispetto ai loro tradizionali elementi ottici ingombranti.
"Parte della barriera all'adozione di queste tecnologie è la prestazione dei componenti fotonici che compongono quel sistema, " Ha detto Su. "Sviluppando un metodo di ottimizzazione migliore per la progettazione di questi componenti fotonici, speriamo non solo di migliorare le prestazioni di queste tecnologie fino alla redditività commerciale, ma anche di aprire nuove possibilità per la fotonica integrata".
