[發(fā)明專利]一種基于機器學習的光頻梳性能分析方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111544862.7
• 申請日: 2021-12-16
• 公開（公告）號: CN114218834A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設計）人: 文進;秦韋俊;何晨瑤;孫偉;梁伯值;熊科宇
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/27;G06F111/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

一種基于機器學習的光頻梳性能分析方法及系統(tǒng)，包括以下步驟：步驟1，通過仿真軟件對微環(huán)諧振腔平臺的波導類型建模仿真，并將仿真的二維數(shù)據(jù)導出備用；步驟2，在上階段模擬得到的仿真結果的數(shù)據(jù)基礎上計算高階色散系數(shù)，在色散數(shù)據(jù)中輸入對應的色散值，得到理想的光頻梳光譜；步驟3，將上一階段得到的數(shù)據(jù)，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練，對模型預測性能進行評估，實現(xiàn)整個GUI界面的具體分布和排版。本發(fā)明專利將硅基微環(huán)諧振腔產(chǎn)生光頻梳的性能參數(shù)利用機器學習的方法進行分析，突破了傳統(tǒng)方法的時耗性和局限性。仿真過程耗費更少的時間，整個過程前期只需一次工作量較大的數(shù)據(jù)完全準備，利用數(shù)據(jù)并訓練好模型后，只需一鍵便可得到結果，從而大大減少了工作量，提高了工作效率。

技術領域

本發(fā)明屬于光子學與人工智能技術交叉領域，特別涉及一種基于機器學習的光頻梳性能分析方法及系統(tǒng)。

背景技術

近年來，基于級聯(lián)四波混頻效應的硅基微環(huán)諧振腔光頻梳的產(chǎn)生技術在有了很大的發(fā)展和突破，并在各個領域具有廣泛的應用前景。在硅基微環(huán)諧振腔光頻梳的產(chǎn)生過程中，研究的重點多在于泵浦參數(shù)對產(chǎn)生光頻梳的性能影響，而對光頻梳的優(yōu)化需要利用改良的Lugiato-Lefever equation(LLE)模型對四波混頻效應進行數(shù)值模擬。在實驗室工作中如果針對不同的波導和微環(huán)諧振腔參數(shù)產(chǎn)生光頻梳，制備不同的結構顯然不符合實際，因此如何高效的進行技術仿真模擬就成為了新的技術目標，一定程度上也可以節(jié)省時間成本和工藝成本。在數(shù)值模擬的過程中，需要大量的參數(shù)調整和變換，而每次變換都需要一次模擬工作，并且對模擬結果要進行記錄分析，如若可以利用機器學習的方法在前期根據(jù)已有數(shù)據(jù)建立模型后，可以實現(xiàn)根據(jù)具體泵浦參數(shù)直接輸出頻梳參數(shù)結果的需求，該方法將進一步減少了模擬光頻梳產(chǎn)生及性能分析所需要的時間。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于機器學習的光頻梳性能分析方法及系統(tǒng)，以解決上述問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于機器學習的光頻梳性能分析方法，包括以下步驟：

步驟1，通過仿真軟件對硅基微環(huán)諧振腔平臺的波導進行建模仿真，并將仿真的二維數(shù)據(jù)導出備用；

步驟2，在上階段模擬得到的仿真結果數(shù)據(jù)基礎上計算高階色散數(shù)據(jù)，在模擬光頻梳產(chǎn)生過程中輸入泵浦條件對應的色散值，得到理想的光頻梳光譜；

步驟3，將上一階段得到的數(shù)據(jù)整理為輸入?yún)?shù)列在前，輸出參數(shù)列在后的訓練數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型對數(shù)據(jù)集進行訓練，訓練好的模型將用未包含在訓練數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)進行預測，并對模型預測性能進行評估，實現(xiàn)整個GUI界面的具體分布和排版。

進一步地，步驟1中具體為：

結構建模方法得到驗證后更準確地得到本專利所需結構的仿真結果，該過程包含波導模場分布，色散曲線的計算和方法驗證工作；

使用波導截面為脊型的硅基微環(huán)諧振腔結構，在微米量級調整截面參數(shù)，通過有限元分析法得到對應泵浦波長處的模場分布，進一步利用Sellmeier公式計算獲得色散曲線，針對不同結構參數(shù)下得到的色散曲線，選取平坦度較好同時使零色散波長點落在3.5μm曲線對應的設計參數(shù)，實現(xiàn)波導結構的參數(shù)優(yōu)化；

在得到硅基微環(huán)諧振腔結構的有效折射率的基礎上，分別繪制傳播常數(shù)與波長、有效折射率與波長的曲線圖，并將對應的二維數(shù)據(jù)導出備用。

進一步地，步驟1中仿真軟件為多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysic。

進一步地，步驟2中計算高階色散系數(shù)：

利用MATLAB程序軟件，依據(jù)高階色散系數(shù)與波長的關系，在上階段模擬得到的仿真結果的數(shù)據(jù)基礎上計算高階色散系數(shù)，并得到高階色散與波長的關系曲線圖，將計算得到的數(shù)值進行整理。

進一步地，步驟2中光頻梳光譜具體為：