Onderzoekers van Stanford University creëerden een inverse ontwerpcodebase genaamd SPINS die onderzoekers kan helpen bij het verkennen van verschillende ontwerpmethodologieën om verwerkbare optische en nanofotonische structuren te vinden.

In het journaal Technische Natuurkunde Beoordelingen Logan Su en collega's beoordelen het potentieel van inverse ontwerpen voor optische en nanofotonische structuren, evenals presenteren en uitleggen hoe ze hun eigen inverse ontwerpcodebase kunnen gebruiken.

"Het idee van invers ontwerp is om meer geavanceerde optimalisatie-algoritmen te gebruiken en het zoeken naar een structuur te automatiseren, Su legde uit. "Het uiteindelijke doel is om een ​​ontwerper de gewenste prestatiestatistieken te laten invoeren en gewoon te wachten tot het algoritme het best mogelijke apparaat genereert."

Geïntegreerde fotonica heeft veel potentiële toepassingen, variërend van optische verbindingen tot detectie tot kwantumcomputing.

Geïnspireerd door populaire machine learning-bibliotheken zoals TensorFlow en PyTorch, SPINS is een fotonisch ontwerpraamwerk dat de nadruk legt op flexibiliteit en reproduceerbare resultaten. SPINS is intern door de groep gebruikt om een ​​assortiment apparaten te ontwerpen, en de groep stelt het beschikbaar voor gebruik door andere onderzoekers.

"De wiskunde achter onze optimalisatietechnieken komt uit de wiskundige optimalisatiegemeenschap, Su zei. "Maar we lenen ook ideeën van de optimalisatiegemeenschap in mechanische en vloeistofmechanica, waar ze vergelijkbare optimalisatiemethoden gebruiken om mechanische structuren en draagvlakken te ontwerpen voordat ze in de fotonica worden toegepast."

Inverse design "automatiseert het ontwerpproces voor optische en fotonische elementen, "zei hij. "Traditioneel, fotonische apparaten zijn met de hand ontworpen, in die zin dat een ontwerper eerst de geometrische basisvorm van de structuren bedenkt, zoals een cirkel, en voert vervolgens een paar parameterzwaaien uit van de straal van de cirkel om de prestaties van het apparaat te verbeteren."

Dit proces is arbeidsintensief en heeft de neiging om een ​​grote klasse apparaten te negeren met meer gecompliceerde vormen die het potentieel hebben voor veel betere prestaties.

"Het vervangen van elektrische interconnects door fotonische interconnects binnen datacenters, bijvoorbeeld, kan een toename van de geheugenbandbreedte mogelijk maken en tegelijkertijd de energiekosten aanzienlijk verlagen, ' zei Su.

Fotonische neurale netwerken beloven ook hogere werksnelheden met lagere energievereisten in vergelijking met elektronische hardware, en metasurface-optica beloven nieuwe optische functionaliteiten die goedkoper en ordes van grootte kleiner zijn dan hun traditionele omvangrijke optische elementen.

"Een deel van de barrière voor de acceptatie van deze technologieën zijn de prestaties van de fotonische componenten waaruit dat systeem bestaat, Su zei. "Door een betere optimalisatiemethode te ontwikkelen voor het ontwerpen van deze fotonische componenten, we hopen niet alleen de prestaties van deze technologieën te verbeteren tot het punt van commerciële levensvatbaarheid, maar ook nieuwe mogelijkheden voor geïntegreerde fotonica te openen."