用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度納米光子器件的光譜計(jì)算

邱維陽(yáng),何 成,鄭根讓,易巧玲

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 中山528400)

0 引言

由精心設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)組成的新型光學(xué)器件已成為一個(gè)極具活力且富有成果的研究領(lǐng)域,因?yàn)槠渚哂胁倏毓饬鞯郊{米尺度的能力[1],得益于先進(jìn)的數(shù)值模擬、制造和表征技術(shù),人們能夠設(shè)計(jì)、制造并展示具有復(fù)雜幾何形狀和排列的介電與金屬微觀及納米結(jié)構(gòu)。例如,由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)組成的超材料和超表面被稱(chēng)為元原子(meta-atoms),可展現(xiàn)出超越自然材料的卓越特性。光線導(dǎo)向、全息術(shù)、成像、傳感和極化控制等研究領(lǐng)域已報(bào)道了多種元器件,微納結(jié)構(gòu)研究的興起為光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域提供了巨大的技術(shù)突破。但隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度越來(lái)越高,設(shè)計(jì)過(guò)程變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)路徑依賴(lài)于器件優(yōu)化,即從一些特殊結(jié)構(gòu)(依賴(lài)于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn))通過(guò)求解麥克斯韋方程和邊界條件得到電磁響應(yīng),將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較獲取調(diào)整方向并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,不斷重復(fù)此過(guò)程,直到設(shè)計(jì)的器件符合設(shè)計(jì)需求。代表性方法包括伴隨方法、水平集方法、遺傳算法和粒子群算法等,這些研究方法需要進(jìn)行數(shù)百甚至數(shù)千次的模擬,直到器件性能達(dá)到可接受的范圍,但非常消耗計(jì)算資源,需要耗費(fèi)大量的人力且結(jié)果嚴(yán)重依賴(lài)于研究者的經(jīng)驗(yàn),并隨著器件變得越來(lái)越精巧,這種研究變得越發(fā)困難。

深度學(xué)習(xí)在近年得到了快速發(fā)展[2],是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法,可從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并用以前學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)解決問(wèn)題。……