Enhancing quantum cascade laser active region design through inverse neural networks: A machine learning approach to metric-based structure generation

级联 公制(单位) 反向 人工神经网络 量子 计算机科学 激光器 量子级联激光器 人工智能 物理 光学 数学 工程类 量子力学 化学工程 运营管理 几何学
作者
Y. Hu,Suraj Suri,Jeremy Kirch,B. Knipfer,Steven A. Jacobs,Z. Yu,D. Botez,L. J. Mawst
出处
期刊:AIP Advances [American Institute of Physics]
卷期号:14 (10)
标识
DOI:10.1063/5.0227270
摘要

In this study, we introduce an automated design method for Quantum Cascade Laser (QCL) active region (AR) structure employing a generative neural network, termed an inverse network, which creates the structure designs based on specific k · p metric inputs related to device performance. The training dataset, derived from an earlier study, was selectively filtered to remove entries affected by energy-level hybridization or splitting, yielding ∼300 000 valid entries. A pre-trained forward network that processes QCL-AR structures and returns corresponding k · p metrics serves as the evaluator for the inverse network, supplanting traditional loss functions such as mean squared error or mean absolute error. This strategy overcomes the problem of non-uniqueness in the mapping from k · p metrics to QCL-AR structures. The inverse network incorporates a random layer, allowing it to produce a variety of QCL-AR structures from identical predicted metrics, thereby increasing the model’s practicality. Performance testing indicates high accuracy in the metrics of the generated QCL-AR structures, with the coefficient of determination, R2 scores, for key energy-level differences between the upper-laser (ul) level and the lower-laser level, E43, and between the next-higher-energy level above the ul level and the ul level, E54, of 0.9153 and 0.9701, respectively; and for the electron lifetimes τ43 and τ54 of 0.9568 and 0.9175. As an example, we show how the network generates a QCL-AR structure with the potential for low threshold-current density by suppressing shunt-type carrier leakage from the ul level through a higher energy AR state.
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