BOSON$^{-1}$：基于自适应变分感知子空间优化的物理鲁棒光子逆向设计理解与实现
光学
2024-11-14 v1 新兴技术
计算物理
摘要
纳米光子器件设计旨在优化光子结构，以满足各种应用的特定需求。逆向设计解锁了非直观的高维设计空间，使得发现超越启发式或解析方法的高性能器件成为可能。伴随法仅通过两次仿真即可计算所有变量的梯度，从而能够高效地探索这一复杂空间。然而，许多逆向设计的结构虽然在数值上看似合理，却难以制造且对变化敏感，限制了其实际应用。离散特性与众多局部最优结构也带来了显著的优化挑战，常导致基于梯度的方法收敛于次优设计。在本工作中，我们将逆向设计形式化为一个受制造限制的、离散的概率优化问题，并引入了 BOSON-1，一个端到端的、变分感知的子空间优化框架，以应对可制造性、鲁棒性和可优化性方面的挑战。为克服优化困难，我们提出了密集目标增强梯度流以缓解误导性局部最优，并引入条件子空间优化策略来创建高维隧道以逃离局部最优。此外，我们通过基于自适应采样的鲁棒优化，显著减少了与跨指数级变分样本优化相关的运行时间，确保了效率和变分鲁棒性。在三个具有代表性的光子器件基准测试上，我们提出的逆向设计方法 BOSON 提供了可制造的结构，并在实际变分下实现了最佳的收敛性和性能，其后制造性能优于现有技术 74.3%。我们在 https://github.com/ScopeX-ASU/BOSON 开源了代码。
引用
@article{arxiv.2411.08210,
title = {BOSON$^{-1}$: Understanding and Enabling Physically-Robust Photonic Inverse Design with Adaptive Variation-Aware Subspace Optimization},
author = {Pingchuan Ma and Zhengqi Gao and Amir Begovic and Meng Zhang and Haoyu Yang and Haoxing Ren and Zhaoran Rena Huang and Duane Boning and Jiaqi Gu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.08210},
year = {2024}
}
备注
7 pages. Accepted IEEE DATE 2025