Automatic Synthesis of Broadband Silicon Photonic Devices via Bayesian Optimization

贝叶斯优化 宽带 替代模型 计算机科学 光子学 硅光子学 稳健性(进化) 电子工程 贝叶斯概率 人工智能 工程类 电信 机器学习 材料科学 基因 生物化学 化学 光电子学
作者
Zhengqi Gao,Zhengxing Zhang,Duane S. Boning
出处
期刊:Journal of Lightwave Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40 (24): 7879-7892 被引量:3
标识
DOI:10.1109/jlt.2022.3207052
摘要

In integrated silicon photonics, broadband devices are of high interest. In this paper, we propose a fully automatic design methodology to synthesize broadband silicon photonic devices via Bayesian optimization. Bayesian optimization is a surrogate-model based black-box global optimization technique, made up of two steps in combination: (i) building a surrogate model, and (ii) optimizing a user-defined acquisition function. Key is that the surrogate model serves as a good substitution for the time-consuming physical simulation, while being much cheaper to invoke. Our simulation results verify the efficacy of Bayesian optimization for designing various broadband silicon photonic passive devices over other baseline methods (e.g., L-BFGS-B and differential evolution) under our hyper-parameter settings and using our implementation. Specifically, we show that with around 100 FDTD simulations, far fewer than previously reported in the literature, Bayesian optimization can already attain devices with superior performance. We further demonstrate the trade-off relation between device robustness under variation and device performance.
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