DE10255189A1 - Waveguide geometry designing method for use with integrated optical components uses an iterative algorithm with a neuronal network to optimize geometry shape selection - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwurf von integrierten optischen Bauelementen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neues Chip-Designverfahren basierend auf künstlicher Intelligenz.The invention relates to a method for the design of 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 device, e.g. a planar waveguide within an optical chip it is very important the intensity distribution of light if possible precise to be able to control. The intensity distribution, this means the distribution of light within the waveguide controlled by so-called "taper". In In principle, these are waveguides in the chip, their geometric Form varies according to certain 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.When designing an optical chip is usually a certain intensity distribution of light as the initial situation specified. This is e.g. to light coming from an optical fiber passes into the optical chip. The chip designer is also prescribed how the intensity distribution at a certain point 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 Various software tools are available to the designer with whom he designed chip geometries and simulated their behavior can. However, this manual process is very complex and hangs in great Dimensions from Skill and experience of the designer.
Das heißt, dass die Qualität der Taper in einem optischen Chip wird sehr stark von der Erfahrung und den Fähigkeiten des Design-Ingenieurs bestimmt. 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.That means the quality of 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 basic elements, such as exponential, linear or parabolic taper, built as for more complex Structures the design effort would simply be too large. If you want complex structures you can no longer realize that of the commercial simulation programs to disposal provided basic elements to grab.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, welches den Entwurf von optischen Bauelementen, insbesondere von planaren Wellenleitern, wesentlich vereinfacht und automatisiert.The object of the invention is in specifying a process that involves the design of optical Components, especially of planar waveguides, essential simplified and automated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the Features of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous configurations 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 the artificial Intelligence and can preferably be part of an expert system combined with a genetic algorithm. With the help of the method, a given initial intensity distribution and a desired one Target intensity distribution the matching waveguide geometry of the light in the waveguide, e.g. the right taper can 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.To achieve this, the expert system the initial intensity distribution and the one you want Target intensity distribution specified in the waveguide. Based on the two intensity distributions beats the expert system a number of possible waveguide geometries before, by gradually applying genetic algorithms be improved until the optimal waveguide geometry is 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 procedure described cannot only independently develop an optimal waveguide geometry, but learns his own work and improves himself. This procedure cannot be only apply to the design of waveguide geometries, but also on other tasks in the field of chip design, based on determined by certain output parameters and desired end parameters Properties to be determined.
Die Implementierung des Expertensystems kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es kann beispielsweise eine Datenbasis bestehend aus eine 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 done in different ways. For example, it can be a database consisting of a large number of data sets, which in turn contain each a start, target intensity distribution and an associated waveguide geometry contain. By comparison with the default values, the Database the most similar Waveguide geometries selected and the further process 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, the expert system can be used also about implement a neural network in which the two intensity distributions serve as input parameters and output possible waveguide geometries come out. Neural networks consist of units that are in Layers arranged and by directed and weighted edges with each other are connected. There is usually one input level, one or more Layers with hidden units and a layer with output units. A network receives a data record as input, e.g. the intensity distributions represents at the input and output of the chip. It delivers as output the shape of the associated Tapers. The data and information that the network receives or outputs are as real-valued vectors with elements from the interval [0.0, 1.0] coded. An input record is sent to the input units created and about the weighted edges are propagated through the network to the output units. Mathematical, usually non-linear functions are used for this. In contrast to decision trees offer neural networks the possibility to represent non-linear relationships by using non-linear functions. You can also them on very large databases be applied.
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.The real essence of the invention is that genetic algorithms allow for the basic waveguide geometries continue to be developed until the optimal geometry of the waveguide has been found, that is to say the intensity distributions in the waveguide correspond to the standard 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.A genetic algorithm works the principle of evolution. The shape of the taper is determined by combination, Cross over and mutations changed, and through natural Selection, the tapers are improved with each generation, by "surviving" only the tapers, their final intensity distribution close enough to the one you want intensity distribution is. Genetic algorithms belong to the class of optimization methods. They also enable search strategies for cases in to whom no closed solution is present. So there are so-called "Generate and Test" procedures, in which different solution variants generated and tested for their suitability for solving a problem. The guiding principle is that you are similar to the concept of evolution generates a number of waveguide geometries (a "generation") and then selects those that a certain criterion or a combination of criteria best match. The properties (parameter values) of the current Generation are then easily changed and combined by one to generate another new generation.
Ein typischer genetischer Algorithmus umfasst die folgenden Schritte:A typical genetic algorithm includes the following steps:
- a) Erzeugen ("generate") einer ausreichend großen Menge unterschiedlicher Wellenleitergeometrien (Lösungsvarianten).a) Generate a sufficiently large amount different waveguide geometries (solution variants).
- b) Für jede einzelne Lösung wird aufgrund einer Zielfunktion ein Wert bestimmt, der den Grad der Übereinstimmung der Lösung mit der Zielfunktion angibt.b) For every single solution a value is determined based on an objective function, the degree of agreement the solution with the objective function.
- c) Auswahl derjenigen Lösungen, welche die besten Übereinstimmungswerte haben.c) Selection of those solutions which are the best match values to have.
- d) Zufällige Veränderung der Wertekombinationen der ausgewählten Lösungen ("Mutation") und Rekombination, durch welche die Werte verschiedener Lösungen gemischt werden.d) Random change the value combinations of the selected solutions ("mutation") and recombination, by which the Values of different solutions be mixed.
- e) Die veränderten Nachfolger der ausgewählten ursprünglichen Menge bilden nun die Menge der neuen Lösungsvarianten und der Algorithmus wird ab Schritt b) wiederholt.e) The changed Successor of the selected original Set now form the set of new solution variants and the algorithm will 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.Once the genetic algorithms have found the optimal waveguide geometry, this is put together 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 one a neural network used as an expert system - by The network nodes are rebalanced.
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.Complementing and reprogramming the expert system is for the solution the task is not absolutely necessary, because when the genetic algorithm the optimal waveguide geometry already is found. The task of this step is exclusively that Improve performance of the system by incorporating newly developed waveguide geometries into the Database will be included.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungen der Erfindung.An embodiment of the invention is explained using the drawing. This results in further features, advantages and applications of the Invention.
Die Ausführung des Verfahrens erfolgt vorzugsweise auf einem Personal Computer oder einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung.The procedure is carried out preferably 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, the system Input parameters specified. These are the existing initial intensity distribution of light, e.g. at the entrance 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 process an expert system is now used and the specified initial and target intensity distributions with a database that is part of the expert system. The database includes data sets from different waveguide geometries (taper) and associated initial and target intensity distributions. From the existing records those "candidates" are selected whose intensity distributions come closest to the specifications.
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.The selected candidates will be in one second step applied genetic algorithms. Here is a second generation of candidates generated by the geometry of the first candidate slightly changed becomes. The associated intensity distributions of second generation candidates are simulated by Diffusion of light determined. The second generation candidates, their intensity distributions closer to the default values come as the first generation candidates are used as the basis 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 is now by continuing of the genetic algorithm is optimized until the desired ones intensity distributions are reached.
Das Ergebnis ist ein für den vorgegebenen Zweck optimaler Taper.The result is one for the given purpose 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 can be entered into a neural network used to update the expert system. In the simplest In this case, this is done by including the new taper geometry and its typical intensity distributions as a data record in the database.
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