Deep neural networks for the evaluation and design of photonic devices

计算机科学 人工神经网络 光子学 人工智能 深度学习 背景(考古学) 降维 电磁学 非线性系统 维数之咒 机器学习 电子工程 工程类 物理 古生物学 光学 生物 量子力学
作者
Jiaqi Jiang,Mingkun Chen,Jonathan A. Fan
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Springer Nature]
卷期号:6 (8): 679-700 被引量:257
标识
DOI:10.1038/s41578-020-00260-1
摘要

The data-science revolution is poised to transform the way photonic systems are simulated and designed. Photonic systems are, in many ways, an ideal substrate for machine learning: the objective of much of computational electromagnetics is the capture of nonlinear relationships in high-dimensional spaces, which is the core strength of neural networks. Additionally, the mainstream availability of Maxwell solvers makes the training and evaluation of neural networks broadly accessible and tailorable to specific problems. In this Review, we show how deep neural networks, configured as discriminative networks, can learn from training sets and operate as high-speed surrogate electromagnetic solvers. We also examine how deep generative networks can learn geometric features in device distributions and even be configured to serve as robust global optimizers. Fundamental data-science concepts framed within the context of photonics are also discussed, including the network-training process, delineation of different network classes and architectures, and dimensionality reduction. Neural networks can capture nonlinear relationships in high-dimensional spaces and are powerful tools for photonic-system modelling. This Review discusses how deep neural networks can serve as surrogate electromagnetic solvers, inverse modelling tools and global device optimizers.
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