JP7187705B2 - 電磁装置の物理的特性を最適化するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2019年1月10日に出願された米国出願第16/244,846号に基づいており、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
つまり、FDTD更新は、フィールドとソースの項に関して線形である。具体的には、A(z)∈RN×NおよびB(z)∈RN×Nは線形演算子であり、これらは、構造パラメータ、zに依存し、それぞれフィールド、xiとソース、biに作用する。ここでは、xi、bi∈RNであると想定され、ここで、Nは、タイムフォワードシミュレーションにおけるFDTDフィールド成分の数である。追加的に、損失演算は、L=(xi,…xn)によって与えられ、これは、計算されたフィールドを入力として取り、低減および/または最小化できる単一の実数値スカラー(例えば、損失値)を生成する。
完全を期すために、合計における第1の時間の初めての完全な形、dL/dzは、
式(1)のよって説明されているようなΦ
の定義に基づいて、(∂xi+1/∂xi)=A(z)を式(3)に代入して、バックプロパゲーションのための随伴更新(例えば、更新動作356などの更新動作)に到達することに留意し、これは、
として表すことができる。
式(1)によって説明されるΦの特定の形式に対して示される。したがって、簡約表現なしで、合計の関連するdL/dzの各項は、i>=i0に対するdL/dxiと、i<i0に対するxi0の両方に依存する。これらの2つの項の依存関係チェーンは反対方向にあるため、このように(例えば、簡約表現なしで)dL/dzを計算することは、iの全てに対するxi値の記憶も必要とし、扱いにくいと想定されると結論付けられる。
f(xi,…,xn)=f(ui(xi),…,un(xn)) (7)
であり、ここで、uiは低次元であり、これは、任意の複雑なfを扱いやすさを維持し、バックプロパゲーション動作(df/dxi)=(df/dui)(dui/dxi)を効率よく実行することを可能にする。つまり、勾配にdui/dxiを効率的に乗ずることができる。メモリフットプリントの問題から保護(例えば、iのすべてに対するxi値を記憶することが必要ではない)しながら、FDTD法が、単純化された出力uiを返すことを可能にし、次いで、それをユーザが安全に任意の複雑な損失関数fに挿入できる点で、このような公式化は、便利であり得る。
周波数ごとに(例えば、表現を低減して)dL/dzを考慮することを可能にする。
(dL/dz)|ωを導出することは、メモリフットプリントを低減した状態で、dL/dzを計算することを可能する。すなわち、選択された数の関心周波数(例えば、ω)のみが、任意の時間におけるdL/dzの組み立てを作成するために選択され、ωの数が、所定のメモリバジェット内に収まるように適合されるであろう。いくつかの実施形態では、最適化されている構造パラメータを有する電磁装置は、関心周波数内で動作する。
Claims (20)
- 電磁装置の構造パラメータを最適化するための、コンピュータによって実行される方法であって、
前記電磁装置を記述するシミュレート環境におけるフィールド応答のタイムフォワードシミュレーションを実行することと、
前記タイムフォワードシミュレーションを実行しながら、前記電磁装置の性能パラメータに関連付けられた前記フィールド応答から分解成分を抽出することと、
前記タイムフォワードシミュレーションの時間ステップでの前記性能パラメータと所望の性能値との間の差に少なくとも部分的に基づいて損失値を計算することと、
前記分解成分を使用して前記時間ステップからの前記損失値をバックプロパゲーションして、前記損失値に対する前記電磁装置の前記構造パラメータの変化の影響を決定することと、
前記損失値を低減するために前記構造パラメータを更新することによって前記電磁装置の修正された記述を生成することと、を含む、コンピュータによって実行される方法。 - 前記分解成分が、1つ以上の関心周波数での前記性能パラメータを記述する前記フィールド応答に基づくフーリエ成分である、請求項1に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記電磁装置が、前記1つ以上の関心周波数で動作する、請求項2に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記タイムフォワードシミュレーションが、前記時間ステップを含む複数の時間ステップにわたって発生し、前記複数の時間ステップのうちの任意の1つでの前記フィールド応答が、前記複数の時間ステップに含まれる直前の時間ステップでのフィールド値およびソース値に関して線形に関連している、請求項1に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記シミュレート環境が、複数のボクセルを介して前記電磁装置を記述し、前記複数のボクセルの各々が、前記構造パラメータを記述するための構造値、前記フィールド応答を記述するためのフィールド値、および励起源を記述するためのソース値に関連付けられており、前記フィールド応答が、少なくとも部分的に前記構造パラメータおよび前記励起源に基づく、請求項1に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記タイムフォワードシミュレーションを実行するために、前記複数のボクセルの各々について、複数の時間ステップにわたって前記フィールド値を増分的に更新することであって、前記複数の時間ステップが、前記時間ステップを含む、更新することをさらに含む、請求項5に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記分解成分を使用する前記バックプロパゲーションが、前記複数の時間ステップの各々における前記複数のボクセルの各々の前記損失値に対する前記構造パラメータの前記変化の影響を決定する、請求項6に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記損失値の前記バックプロパゲーションが、タイムバックワードシミュレーションに対応しており、前記タイムバックワードシミュレーションの前記励起源が少なくとも部分的に前記損失値に基づいている、請求項6に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記損失値をバックプロパゲーションすることは、
前記タイムバックワードシミュレーションを実行するために、前記複数のボクセルの各々について、前記複数の時間ステップにわたって前記フィールド応答の変化を時間的に逆方向に増分的に更新することであって、前記フィールド応答の前記変化が、少なくとも部分的に前記損失値に基づく、更新することを含む、請求項8に記載のコンピュータによって実行される方法。 - サイクルを反復的に実行することであって、各サイクルが、連続して、前記タイムフォワードシミュレーションを実行することと、前記損失値の前記バックプロパゲーションを実行することと、前記損失値を低減するための前記構造パラメータを最適化することと、を含み、前記サイクルが、前記性能パラメータと前記所望の性能値の相違が閾値範囲内となるように前記損失値が実質的に収束するまで、前記損失値を反復的に低減する、実行することをさらに含む、請求項1に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 勾配降下アルゴリズムが、前記損失値の前記反復的低減のために利用される、請求項10に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記サイクルの各々の後で、前記最適化された構造パラメータが事前に決定された製造上の制約内にあるかどうかを決定することをさらに含む、請求項10に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 前記電磁装置が光導波路であり、前記構造パラメータが、前記シミュレート環境の材料特性に基づいて前記電磁装置の幾何学的境界に関連付けられ、前記材料特性が、比誘電率を含む、請求項1に記載のコンピュータによって実行される方法。
- 物理装置の構造パラメータを最適化するためのシステムであって、
メモリに結合された1つ以上のプロセッサを含むコントローラを含み、前記メモリが、前記1つ以上のプロセッサによって実行されるときに、前記システムが動作を実行するようにする命令を記憶し、前記動作が、
前記物理装置を記述するシミュレート環境におけるフィールド応答のタイムフォワードシミュレーションを実行することと、
前記タイムフォワードシミュレーションを実行しながら、前記物理装置の性能パラメータに関連付けられた前記フィールド応答から分解成分を抽出することと、
前記タイムフォワードシミュレーションの時間ステップでの前記性能パラメータと所望の性能値との間の差に少なくとも部分的に基づいて損失値を計算することと、
前記分解成分を使用して前記時間ステップからの前記損失値をバックプロパゲーションして、前記損失値に対する前記物理装置の前記構造パラメータの変化の影響を決定することと、
前記損失値を低減するために前記構造パラメータを最適化することによって前記物理装置の修正された記述を生成することと、を含む、システム。 - 前記タイムフォワードシミュレーションが、前記時間ステップを含む複数の時間ステップにわたって発生し、前記複数の時間ステップのうちの任意の1つでの前記フィールド応答が、前記複数の時間ステップに含まれる直前の時間ステップでのフィールド値およびソース値に関して線形に関連している、請求項14に記載のシステム。
- 1つ以上の処理ユニットによって実行されるときに、前記1つ以上の処理ユニットに動作を実行させる命令を記憶した非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、前記動作が、
電磁装置を記述するシミュレーション環境におけるフィールド応答のタイムフォワードシミュレーションを実行することと、
前記タイムフォワードシミュレーションを実行しながら、前記電磁装置の性能パラメータに関連付けられた前記フィールド応答から分解成分を抽出することと、
前記タイムフォワードシミュレーションの時間ステップでの前記性能パラメータと所望の性能値との間の差に少なくとも部分的に基づいて損失値を計算することと、
前記分解成分を使用して前記時間ステップからの前記損失値をバックプロパゲーションして、前記損失値に対する前記電磁装置の前記構造パラメータの変化の影響を決定することと、
前記損失値を低減するために前記構造パラメータを最適化することによって前記電磁装置の修正された記述を生成することと、を含む、非一時的なコンピュータ可読媒体。 - 前記分解成分が、1つ以上の関心周波数での前記性能パラメータを記述する前記フィールド応答に基づくフーリエ成分であり、前記電磁装置が、前記1つ以上の関心周波数で動作する、請求項16に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記シミュレート環境が、複数のボクセルを介して前記電磁装置を記述し、前記複数のボクセルの各々が、前記構造パラメータを記述するための構造値、前記フィールド応答を記述するためのフィールド値、および励起源を記述するためのソース値に関連付けられており、前記フィールド応答が、前記構造パラメータおよび前記励起源に少なくとも部分的に基づく、請求項16に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記1つ以上の処理ユニットによって実行されるときに、前記1つ以上の処理ユニットに動作を実行させる前記命令であって、前記動作が、
前記タイムフォワードシミュレーションを実行するために、前記複数のボクセルの各々について、複数の時間ステップにわたって前記フィールド値を増分的に更新することであって、前記複数の時間ステップが、前記時間ステップを含む、更新すること、をさらに含み、
前記損失値をバックプロパゲーションすることは、
タイムバックワードシミュレーションを実行するために、前記複数のボクセルの各々について、前記複数の時間ステップにわたって前記フィールド応答の変化を時間的に逆方向に増分的に更新することであって、前記フィールド応答の前記変化が、少なくとも部分的に前記損失値に基づく、更新することと、を含み、前記損失値の前記バックプロパゲーションが、前記タイムバックワードシミュレーションに対応しており、前記タイムバックワードシミュレーションの前記励起源が少なくとも部分的に前記損失値に基づいている、請求項18に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。 - 前記1つ以上の処理ユニットによって実行されるときに、前記1つ以上の処理ユニットに動作を実行させる前記命令であって、前記動作が、
サイクルを反復的に実行することであって、各サイクルが、連続して、前記タイムフォワードシミュレーションを実行することと、前記損失値の前記バックプロパゲーションを実行することと、前記損失値を低減するための前記構造パラメータを最適化することと、を含み、前記サイクルが、前記性能パラメータと前記所望の性能値の相違が閾値範囲内となるように前記損失値が実質的に収束するまで、前記損失値を反復的に低減する、実行することをさらに含む、請求項16に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
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