Global Inverse Design across Multiple Photonic Structure Classes Using Generative Deep Learning

光子学 生成语法 计算机科学 光子晶体 深度学习 反向 生成模型 结构着色 纳米技术 材料科学 人工智能 几何学 数学 光电子学
作者
Christopher Yeung,Ryan Tsai,Benjamin Pham,Brian King,Yusaku Kawagoe,David Ho,Julia Liang,Mark W. Knight,Aaswath P. Raman
出处
期刊:Advanced Optical Materials [Wiley]
卷期号:9 (20) 被引量:44
标识
DOI:10.1002/adom.202100548
摘要

Understanding how nano- or micro-scale structures and material properties can be optimally configured to attain specific functionalities remains a fundamental challenge. Photonic metasurfaces, for instance, can be spectrally tuned through material choice and structural geometry to achieve unique optical responses. However, existing numerical design methods require prior identification of specific material-structure combinations, or device classes, as the starting point for optimization. As such, a unified solution that simultaneously optimizes across materials and geometries has yet to be realized. To overcome these challenges, we present a global deep learning-based inverse design framework, where a conditional deep convolutional generative adversarial network is trained on colored images encoded with a range of material and structural parameters, including refractive index, plasma frequency, and geometric design. We demonstrate that, in response to target absorption spectra, the network can identify an effective metasurface in terms of its class, materials properties, and overall shape. Furthermore, the model can arrive at multiple design variants with distinct materials and structures that present nearly identical absorption spectra. Our proposed framework is thus an important step towards global photonics and materials design strategies that can identify combinations of device categories, material properties, and geometric parameters which algorithmically deliver a sought functionality.
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