Engineering Metasurfaces with Tandem Neural Networks: Efficient Inverse Design, Functionality-Preserving Repatterning and Accelerated Simulation

计算机科学 初始化 反向 集合(抽象数据类型) 串联 利用 人工神经网络 反问题 算法 计算机工程 电子工程 水下 计算科学 反演(地质) 深层神经网络 建筑 拓扑(电路) 计算电磁学 人工智能
作者
David M.G. de la Sacristana,Álvaro Ordoño,Agustín M. Galante-Cerviño,Javier Martí,Carlos García-Meca
出处
期刊: [American Chemical Society]
卷期号:4 (7): 2000-2012
标识
DOI:10.1021/acsaom.6c00142
摘要

Metasurfaces allow for molding electromagnetic waves in ways unattainable with conventional materials, enabling compact and efficient devices across the entire spectrum. While deep learning-based inverse design has boosted progress in this field, two challenges remain: the need for massive simulation data sets and the tendency of generated patterns to be fragmented and difficult to fabricate. This work introduces a tandem neural network (TNN) framework that addresses these issues and provides additional capabilities by simultaneously implementing three functionalities: (1) a spectrum-to-pattern inverse designer that, combining needle-drop initialization and data-augmentation techniques, can be reliably trained with a data set of order ∼7 × 10 3, smaller than in many inverse-design studies with high degrees of freedom, (2) a redesigner that, given a metasurface pattern, generates a different one with the same functionality and new desired geometrical characteristics (e.g., simplified, fabrication-ready unit cells), and (3) a forward predictor that can calculate a metasurface response much faster than a full-wave simulator with similar accuracy. These features rely on the ability of the TNN to exploit the so-called nonuniqueness problem, as well as on the introduction of custom loss functions and other distinctive features. The proposed architecture is verified through full-wave simulations and has applications in stealth, underwater robotics, Internet of things, and RF, 5G, and laser communications.
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