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Accelerating and enabling the design of complex diffractive gratings using physics-informed neural networks to evaluate scattering matrices

Prehn, Eric und Jung, Peter (2025) Accelerating and enabling the design of complex diffractive gratings using physics-informed neural networks to evaluate scattering matrices. In: 2019 SPIE Optics + Photonics conference Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXVIII. SPIE. SPIE Optical Engineering + Applications, 2025-08-03 - 2025-08-08, San Diego, USA. doi: 10.1117/12.3063950. ISBN 9781510690981.

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Offizielle URL: https://doi.org/10.1117/12.3063950

Kurzfassung

Diffractive gratings in waveguides are utilized in various applications, including telecommunications, quantum photonics, optical sensing, display technology for augmented reality devices and space applications. As demand for diffractive gratings with multiple desirable properties increases in waveguide design, more complex grating structures need to be investigated. The design spaces of these complex gratings increase exponentially with the number of physical grating parameters (such as grating depth, duty cycle, layer thicknesses, blaze angles etc.). The effect of these gratings on incident light is often stored in electromagnetic scattering/Jones matrices that are calculated using rigorous coupled-wave analysis (RCWA). Optimising gratings within a waveguide involves storing, evaluating and often interpolation of these scattering matrices, resulting in a computational bottleneck for higher-dimensional grating parameter spaces. To address this challenge, we introduce a highly efficient, parallelisable, and lightweight approach to evaluating scattering matrices using a physics-informed neural network (PINN). This PINN is trained on a data set of scattering matrices and importantly is differentiable, can be GPU-accelerated and penalizes non-physical outputs. In this paper, we provide an optimisation example that demonstrates an exponential speedup in simulation time for high-dimensional grating parameter spaces compared to conventional methods. For inverse design of optical devices involving complex diffractive gratings, this approach opens up a new regime of computationally feasible optimisations.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/217215/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag, Programmrede)
Titel:Accelerating and enabling the design of complex diffractive gratings using physics-informed neural networks to evaluate scattering matrices
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Prehn, Ericeric.prehn (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Jung, Peterpeter.jung (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2 Oktober 2025
Erschienen in:2019 SPIE Optics + Photonics conference Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXVIII
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1117/12.3063950
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Hahlweg, CorneliusNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mulley, JosephNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:SPIE
Name der Reihe:Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXVIII
ISBN:9781510690981
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Design Diffraction Diffraction gratings Education and training Interpolation Matrices Neural networks Optical gratings Scattering Silicon solar cells Solar cells Waveguides
Veranstaltungstitel:SPIE Optical Engineering + Applications
Veranstaltungsort:San Diego, USA
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:3 August 2025
Veranstaltungsende:8 August 2025
Veranstalter :SPIE
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC AW - Anwendungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - QCOptSens
Standort: Berlin-Adlershof
Institute & Einrichtungen:Institut für Optische Sensorsysteme > Echtzeit-Datenprozessierung
Hinterlegt von: Prehn, Eric
Hinterlegt am:13 Okt 2025 13:08
Letzte Änderung:13 Okt 2025 13:08

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