Bidirectional Design for SPR-Photonic Crystal Fiber Magnetic Field Sensor Based on Deep Learning

计算机科学 有限元法 人工神经网络 电子工程 趋同(经济学) 灵敏度(控制系统) 光子晶体光纤 光纤 工程类 人工智能 电信 结构工程 经济 经济增长
作者
Chang Tang,Dan Yang,Tonglei Cheng,Shunchuan Yang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:24 (3): 4091-4101
标识
DOI:10.1109/jsen.2023.3344121
摘要

Optical magnetic field sensors have gained prominence due to their compact size, high sensitivity, and broad dynamic range. Photonic crystal fiber (PCF) sensors have emerged as a significant role in optical sensing. Traditional numerical design methods of PCF such as finite element method (FEM) are computationally demanding and often restrict the design space due to iterative trial-and-error processes. In this work, a bidirectional design approach using a deep learning model based on Deep Neural Networks (DNNs) and Augmented Grey Wolf Optimizer (AGWO) is proposed for surface plasmon resonance (SPR)-based PCF magnetic field sensor. This bidirectional design method contains forward modeling and inverse design. The forward modeling predicts the optical responses of sensor structures accurately in 55.99 milliseconds with an R-squared value of 0.9942. The inverse design approach, with a tandem network configuration for addressing the non-uniqueness challenge in inverse design, identifies the sensor design aligning with desired optical responses in less than 0.5 seconds. In addition, AGWO is utilized to further enhance the accuracy and convergence ability of DNN. The key results indicate that our proposed approach reduces computational effort and enhances design effectiveness in PCF sensor design, which can also offer an alternative method for the design of various optical devices.
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