DE10255189B4 - Method of designing waveguide geometries in integrated optical devices - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Entwurf von Wellenleitergeometrien mit bestimmter Lichtverteilung
in integrierten optischen Bauelementen mit folgenden Schritten:
a)
Vorgabe einer Anfangs-Intensitätsverteilung
des Lichts am Eingang des Wellenleiters;
b) Vorgabe einer an
einer vorgegebenen Stelle des Wellenleiters geforderten Ziel-Intensitätsverteilung;
c)
Auswahl einer Anzahl von vorhandenen Wellenleitergeometrien basierend
auf den vorgegebenen Intensitätsverteilungen;
d)
Anwendung mindestens eines genetischen Algorithmus auf die ausgewählten Wellenleitergeometrien
zur Ermittlung einer neuen Wellenleitergeometrie; und
e) Wiederholen
des genetischen Algorithmus solange, bis die aktuelle Intensitätsverteilung
an der vorgegebenen Stelle des Wellenleiters der geforderten Ziel-Intensitätsverteilung
entspricht.Method for designing waveguide geometries with specific light distribution in integrated optical components, comprising the following steps:
a) specification of an initial intensity distribution of the light at the input of the waveguide;
b) specification of a target intensity distribution required at a predetermined location of the waveguide;
c) selecting a number of existing waveguide geometries based on the given intensity distributions;
d) applying at least one genetic algorithm to the selected waveguide geometries to determine a new waveguide geometry; and
e) Repeating the genetic algorithm until the current intensity distribution at the predetermined position of the waveguide corresponds to the required target intensity distribution.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwurf Wellen von Wellenleitergeometrien mit bestimmter Lichtverteilung in integrierten optischen Bauelementen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neues Chip-Designverfahren basierend auf künstlicher Intelligenz. The The invention relates to a method of designing waves of waveguide geometries with certain light distribution in integrated optical components. In particular, the invention relates to a new chip design method based on artificial intelligence.
In einem optischen Bauelement, z.B. einem planaren Wellenleiter innerhalb eines optischen Chips, ist es sehr wichtig die Intensitätsverteilung des Lichts möglichst präzise kontrollieren zu können. Die Intensitätsverteilung, das heißt die Verteilung des Lichts innerhalb des Wellenleiters, wird dabei durch sogenannte „Taper" kontrolliert. Im Prinzip handelt es sich dabei um Wellenleiter im Chip, deren geometrische Form entsprechend bestimmter mathematischer Funktionen variiert wird.In an optical component, e.g. a planar waveguide within of an optical chip, it is very important the intensity distribution the light as possible precise to be able to control. The intensity distribution, this means the distribution of the light within the waveguide becomes controlled by so - called "Taper" The principle is waveguides in the chip, whose geometric Shape varies according to specific mathematical functions becomes.
Beim Design eines optischen Chips ist meist eine bestimmte Intensitätsverteilung des Lichts als Anfangssituation vorgegeben. Dabei handelt es sich z.B. um Licht, das aus einem Lichtwellenleiter in den optischen Chip übertritt. Dem Chipdesigner ist ferner vorgegeben, wie die Intensitätsverteilung an einer bestimmten Stelle auf dem Chip, z.B. am Ausgang, aussehen soll. Die Aufgabe des Chipdesigners ist es nun, einen passenden Taper zu entwerfen, der die Anfangs-Intensitätsverteilung in die gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung konvertiert. Hierfür stehen dem Designer verschiedenste Softwaretools zur Verfügung, mit denen er Chipgeometrien entwerfen und deren Verhalten simulieren kann. Dieser manuelle Prozess ist jedoch sehr aufwändig und hängt in großem Maße vom Geschick und der Erfahrung des Designers ab.At the Design of an optical chip is usually a certain intensity distribution of the light as the initial situation. These are e.g. light that passes from an optical fiber into the optical chip. The chip designer is also predetermined, such as the intensity distribution at a particular location on the chip, e.g. at the exit, look should. The task of the chip designer is now to find a suitable one Taper to design the initial intensity distribution into the desired target intensity distribution converted. Therefor the designer has a variety of software tools available with where he designs chip geometries and simulates their behavior can. This manual process is very time consuming and hangs in great Measurements of Skill and experience of the designer.
Das heißt, dass die Qualität der Taper in einem optischen Chip sehr stark von der Erfahrung und den Fähigkeiten des Design-Ingenieurs bestimmt wird. Die auf diese Weise entwickelten Taper sind immer aus relativ einfachen Grundelementen, wie exponentiellen, linearen oder parabolischen Taper, aufgebaut, da für komplexere Strukturen der Designaufwand einfach zu groß wäre. Will man komplexe Strukturen realisieren, kann man nicht mehr auf die von den kommerziellen Simulationsprogrammen zur Verfügung gestellten Grundelemente zurück greifen.The is called, that the quality The taper in an optical chip is very much of the experience and the Skills of the design engineer. The developed in this way Taper are always made of relatively simple primitives, such as exponential, linear or parabolic taper, built for more complex Structures of design effort would be just too big. Do you want complex structures You can no longer realize that from the commercial simulation programs to disposal returned basic elements to grab.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, welches den Entwurf von optischen Wellenleitergeometrien, insbesondere von planaren Wellenleitern, wesentlich vereinfacht und automatisiert.The The object of the invention is to provide a method which the design of optical waveguide geometries, in particular of planar ones Waveguides, significantly simplified and automated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments and developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung basiert auf Methoden der künstlichen Intelligenz und kann vorzugsweise im Rahmen eines Expertensystems kombiniert mit einem genetischen Algorithmus realisiert werden. Mit Hilfe des Verfahrens kann aus einer vorgegebenen Anfangs-Intensitätsverteilung und einer gewünschten Ziel-Intensitätsverteilung des Lichts im Wellenleiter die dazu passende Wellenleitergeometrie, z.B. der passende Taper, ermittelt werden.The Invention is based on methods of artificial intelligence and can preferably in the context of an expert system combined with a genetic algorithm can be realized. With the help of the procedure can from a given initial intensity distribution and a desired Target intensity distribution of the light in the waveguide the matching waveguide geometry, e.g. the appropriate taper, be determined.
Um dies zu erreichen werden dem Expertensystem die Anfangs-Intensitätsverteilung und die gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung im Wellenleiter vorgegeben. Basierend auf den beiden Intensitätsverteilungen schlägt das Expertensystem eine Reihe von möglichen Wellenleitergeometrien vor, die durch Anwendung von genetischen Algorithmen nach und nach verbessert werden, bis die optimale Wellenleitergeometrie gefunden ist.Around To achieve this, the expert system is given the initial intensity distribution and the desired one Target intensity distribution specified in the waveguide. Based on the two intensity distributions beats the expert system provides a number of possible waveguide geometries before, by applying genetic algorithms gradually be improved until the optimal waveguide geometry found is.
Das beschriebene Verfahren kann nicht nur selbständig eine optimale Wellenleitergeometrie entwickeln, sondern lernt aus seiner eigenen Arbeit und verbessert sich selbst. Dieses Verfahren lässt sich nicht nur auf den Entwurf von Wellenleitergeometrien anwenden, sondern auch auf andere Aufgaben im Bereich des Chipdesign, bei denen anhand von bestimmten Ausgangsparametern und gewünschten Endparametern bestimmte Eigenschaften ermittelt werden sollen.The The described method not only independently achieves optimal waveguide geometry but learns from his own work and improves yourself. This procedure leaves not only apply to the design of waveguide geometries, but also on other tasks in the field of chip design, at those based on specific output parameters and desired end parameters certain properties are to be determined.
Die Implementierung des Expertensystems kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es kann beispielsweise eine Datenbasis bestehend aus einer Vielzahl von Datensätzen enthalten, die ihrerseits jeweils eine Anfangs-Ziel-Intensitätsverteilung und eine zugehörige Wellenleitergeometrie enthalten. Durch Vergleich mit den Vorgabewerten werden aus der Datenbasis die ähnlichsten Wellenleitergeometrien herausgesucht und dem weiteren Verfahren zugrundegelegt.The Implementation of the expert system can be done in several ways respectively. It can for example be a database consisting of a large number of records which in turn each include an initial-to-target intensity distribution and associated waveguide geometry contain. By comparison with the default values are from the Database the most similar Waveguide geometries picked out and the further procedure based on.
Alternativ lässt sich das Expertensystem aber auch über ein neuronales Netzwerk implementieren, bei dem die beiden Intensitätsverteilungen als Eingabeparameter dienen und als Ausgabe mögliche Wellenleitergeometrien heraus kommen. Neuronale Netzwerke bestehen aus Einheiten, die in Ebenen angeordnet und durch gerichtete und gewichtete Kanten miteinander verbunden sind. Meist gibt es eine Eingabeebene, eine oder mehrere Ebenen mit verborgenen Einheiten und eine Ebene mit Ausgabeeinheiten. Ein Netzwerk bekommt als Eingabe einen Datensatz, der z.B. die Intensitätsverteilungen am Ein- und Ausgang des Chips darstellt. Als Ausgabe liefert es die Form des zugehörigen Tapers. Die Daten und Informationen, die das Netzwerk bekommt bzw. ausgibt, sind als reellwertige Vektoren mit Elementen aus dem Intervall [0.0, 1.0] codiert. Ein Eingabedatensatz wird an die Eingabeeinheiten angelegt und über die gewichteten Kanten durch das Netz zu den Ausgabeeinheiten propagiert. Dazu werden mathematische, in der Regel nicht lineare Funktionen verwendet. Im Gegensatz zu Entscheidungsbäumen bieten neuronale Netze die Möglichkeit, durch die Verwendung nicht linearer Funktionen nicht lineare Zusammenhänge darzustellen. Zudem können sie auf sehr große Datenbestände angewandt werden.Alternatively, however, the expert system can also be implemented via a neural network, in which the two intensity distributions serve as input parameters and output possible waveguide geometries. Neural networks consist of units that are arranged in planes and connected by directional and weighted edges. In most cases there is an input level, one or more levels with hidden units and a level with output units. A network gets as input one Dataset that represents, for example, the intensity distributions at the input and output of the chip. As output, it provides the shape of the associated tapers. The data and information that the network gets or outputs are coded as real-valued vectors with elements from the interval [0.0, 1.0]. An input data set is applied to the input units and propagated through the network to the output units via the weighted edges. For this purpose, mathematical, usually non-linear functions are used. In contrast to decision trees, neural networks offer the possibility of representing non-linear relationships through the use of non-linear functions. In addition, they can be applied to very large databases.
Der eigentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass durch genetische Algorithmen die zugrundegelegten Wellenleitergeometrien solange weiterentwickelt werden, bis die optimale Geometrie des Wellenleiters gefunden wurde, das heißt die Intensitätsverteilungen im Wellenleiter den Vorgabewerten entsprechen.Of the The real essence of the invention is that by genetic Algorithms the underlying waveguide geometries as long be further developed until the optimal geometry of the waveguide was found, that is the intensity distributions in the waveguide correspond to the default values.
Ein genetischer Algorithmus funktioniert nach dem Prinzip der Evolution. Die Form der Taper wird durch Kombination, Cross Over und Mutationen verändert, und durch natürliche Auslese werden die Taper mit jeder Generation weiter verbessert, indem nur die Taper „überleben", deren Endintensitätsverteilung nahe genug an der gewünschten Intensitätsverteilung ist. Genetische Algorithmen gehören zur Klasse der Optimierungsverfahren. Sie ermöglichen auch Suchstrategien für Fälle, in denen keine geschlossene Lösung vorliegt. Es handelt sich also um sogenannte "Generate and Test"-Verfahren, bei denen verschiedene Lösungsvarianten erzeugt und auf ihre Eignung zur Lösung eines Problems getestet werden. Der Leitgedanke besteht darin, dass man ähnlich der Evolutionsvorstellung eine Anzahl von Wellenleitergeometrien (eine "Generation") erzeugt und dann diejenigen auswählt, die einem bestimmten Kriterium oder einer Kombination von Kriterien am besten entsprechen. Die Eigenschaften (Parameterwerte) der aktuellen Generation werden dann leicht verändert und kombiniert um eine weitere, neue Generation zu erzeugen.One genetic algorithm works on the principle of evolution. The shape of the taper is changed by combination, cross over and mutations, and by natural Selection the tapers are further improved with each generation, only the tapers "survive", their end intensity distribution close enough to the desired one intensity distribution is. Genetic algorithms belong to the class of optimization methods. They also allow search strategies for cases in which is not a closed solution is present. These are so-called "Generate and Test" methods, in which different solution variants generated and tested for their suitability to solve a problem. The guiding idea is that you are similar to the idea of evolution generates a number of waveguide geometries (a "generation") and then selects those that a particular criterion or a combination of criteria best match. The properties (parameter values) of the current Generation are then slightly changed and combined by one to create another, new generation.
Ein typischer genetischer Algorithmus umfasst die folgenden Schritte:
- a) Erzeugen einer ausreichend großen Menge unterschiedlicher Wellenleitergeometrien (Lösungsvarianten).
- b) Für jede einzelne Lösung wird aufgrund einer Zielfunktion ein Wert bestimmt, der den Grad der Übereinstimmung der Lösung mit der Zielfunktion angibt.
- c) Auswahl derjenigen Lösungen, welche die besten Übereinstimmungswerte haben.
- d) Zufällige Veränderung der Wertekombinationen der ausgewählten Lösungen ("Mutation") und Rekombination, durch welche die Werte verschiedener Lösungen gemischt werden.
- e) Die veränderten Nachfolger der ausgewählten ursprünglichen Menge bilden nun die Menge der neuen Lösungsvarianten und der Algorithmus wird ab Schritt b) wiederholt.
- a) Generating a sufficiently large amount of different waveguide geometries (solution variants).
- b) For each individual solution, a value is determined based on an objective function, which indicates the degree of agreement of the solution with the objective function.
- c) Selection of those solutions that have the best matching values.
- d) Random change of the value combinations of the selected solutions ("mutation") and recombination, by which the values of different solutions are mixed.
- e) The modified successors of the selected original set now form the set of new solution variants and the algorithm is repeated from step b).
Sobald die genetischen Algorithmen die optimale Wellenleitergeometrie gefunden haben, wird diese zusammen mit den zugehörigen Intensitätsverteilungen an ein neuronales Netz weiter gegeben, welches seinerseits das Expertensystem umprogrammiert. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Update der Datenbasis oder – wenn man ein neuronales Netzwerk als Expertensystem verwendet – durch Neugewichtung der Netzwerkknoten erfolgen.As soon as the genetic algorithms found the optimal waveguide geometry have this, along with the associated intensity distributions passed on to a neural network, which in turn is the expert system reprogrammed. This can be done, for example, by a corresponding Update the database or - if you a neural network used as an expert system - through Rebalancing the network nodes done.
Das Ergänzen und Umprogrammieren des Expertensystems ist jedoch für die Lösung der Aufgabe nicht unbedingt erforderlich, da bei Beendigung des genetischen Algorithmus die optimale Wellenleitergeometrie bereits gefunden ist. Die Aufgabe dieses Schritts ist ausschließlich die Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Systems, indem neu entwickelte Wellenleitergeometrien in die Datenbasis aufgenommen werden.The Complete and reprogramming the expert system, however, is for solving the Task not necessarily required because at the termination of the genetic Algorithm already found the optimal waveguide geometry is. The task of this step is solely to improve performance of the system by using newly developed waveguide geometries in the Database to be included.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungen der Erfindung.One embodiment The invention will be explained with reference to the drawing. This results Further features, advantages and applications of the invention.
Die Ausführung des Verfahrens erfolgt vorzugsweise auf einem Personal Computer oder einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung.The execution of the method is preferably carried out on a personal computer or a suitable data processing device.
Zunächst werden dem System die Eingangsparameter vorgegeben. Dies sind die vorhandene Anfangs-Intensitätsverteilung des Lichts, z.B. am Eingang des optischen Chips, und die gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung des Lichts, z.B. am Ausgang des optischen Chips.First, be the input parameters are specified for the system. These are the existing initial intensity distribution of light, e.g. at the input of the optical chip, and the desired target intensity distribution of light, e.g. at the output of the optical chip.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird nun ein Expertensystem angewandt, und die vorgegebenen Anfangs- und Ziel-Intensitätsverteilungen mit einer Datenbasis abgeglichen, die Teil des Expertensystems ist. Die Datenbasis umfasst Datensätze von verschiedenen Wellenleitergeometrien (Taper) und zugehörigen Anfangs- und Ziel-Intensitätsverteilungen. Aus den vorhandenen Datensätzen werden nun diejenigen „Kandidaten" ausgewählt, deren Intensitätsverteilungen den Vorgaben am nächsten kommen.In a first step of the method, an expert system is now applied and the predetermined initial and final intensity distributions are aligned with a database that is part of the expert system. The database includes data sets of different waveguide geometries (taper) and associated initial and final intensity distributions. From the existing data sets, those "candidates" are selected whose intensity distributions are closest to the specifications come.
Auf die ausgewählten Kandidaten werden in einem zweiten Schritt genetische Algorithmen angewandt. Hierbei wird eine zweite Generation von Kandidaten erzeugt, indem die Geometrie der ersten Kandidaten leicht verändert wird. Die zugehörigen Intensitätsverteilungen der Kandidaten der zweiten Generation werden durch Simulation der Lichtausbreitung bestimmt. Die Kandidaten der zweiten Generation, deren Intensitätsverteilungen näher an die Vorgabewerte kommen als die Kandidaten der ersten Generation werden dem weiteren Verfahren zugrundegelegt. Die Kandidaten mit schlechteren Ergebnissen werden verworfen.On the selected ones In a second step, candidates become genetic algorithms applied. This creates a second generation of candidates by slightly changing the geometry of the first candidates. The associated intensity distributions the second generation candidates will be replaced by simulation of the Light propagation determined. The second generation candidates, their intensity distributions closer to the default values come as the first generation candidates will be used for the further procedure. The candidates with worse results are discarded.
Die Wellenleitergeometrie wird nun durch Fortführung des genetischen Algorithmus so lange optimiert, bis die gewünschten Intensitätsverteilungen erreicht sind.The Waveguide geometry will now be done by continuing the genetic algorithm Optimized until the desired intensity distributions are reached.
Das Ergebnis ist ein für den vorgegebenen Zweck optimaler Taper.The Result is a for the given purpose of optimal taper.
In einem dritten, optionalen Schritt kann der ermittelte Taper in ein neuronales Netzwerk eingegeben werden, anhand dessen das Expertensystem aktualisiert wird. Im einfachsten Fall erfolgt dies durch Aufnahme der neuen Tapergeometrie und deren typische Intensitätsverteilungen als Datensatz in die Datenbasis.In a third, optional step, the determined Taper in a neural network are entered, based on which the expert system is updated. In the simplest case, this is done by recording the new Tapergeometrie and their typical intensity distributions as a record in the database.
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