一种基于传播物理先验与物理信息约束的集成光子器件电磁场仿真方法

本发明涉及集成光子学、人工智能与计算电磁学交叉，具体涉及一种基于传播物理先验与物理信息约束的集成光子器件电磁场仿真方法。

背景技术：

1、集成光子器件（如多模干涉分束器、定向耦合器等）的设计与优化，依赖于对不同结构和激励条件下的电磁场分布进行大量仿真。

2、现有技术中，电磁场仿真方法主要存在以下问题：其一，传统的数值求解方法，如时域有限差分法 fdtd、频域有限差分法 fdfd，通常通过空间离散化求解麦克斯韦方程组，虽然具有较高的仿真精度，但其计算复杂度随着网格规模增加而显著上升，在大规模参数扫描和器件优化过程中计算成本较高。其二，现有基于神经网络的代理建模方法，如基于频域特征学习的神经算子模型，虽然提高了推理速度，但由于缺乏对电磁波定向传播、多模耦合以及边界不连续特性的针对性建模，容易产生全局场精度与局部端口响应失配的问题。此外，现有物理信息神经网络方法虽然通过引入物理控制方程增强了模型的物理一致性，但在传播主导型电磁场建模任务中仍容易产生传播误差累积，且对局部端口响应的建模能力有限，无法同时兼顾计算效率、全局场一致性与局部端口性能的预测精度。

3、因此，本领域亟需一种能够兼顾计算效率、全场预测精度以及局部输出区域响应精度的集成光子器件电磁场仿真方法。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在上述问题，本发明的目的在于提供一种基于传播物理先验与物理信息约束的集成光子器件电磁场仿真方法，以解决现有数值电磁仿真方法计算成本高、计算周期长，难以满足集成光子器件快速设计与优化需求的问题；同时解决现有神经网络代理模型缺乏对电磁波传播、多模耦合及边界响应等物理机制针对性建模，导致全局场预测精度与局部输出区域响应精度难以兼顾的问题；并解决现有引入物理约束的智能仿真方法在长程传播建模过程中容易产生传播误差累积的问题，从而实现集成光子器件电磁场的高效、高精度仿真及局部输出参数预测。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于传播物理先验与物理信息约束的集成光子器件电磁场仿真方法，通过在网络结构中融入电磁波定向传播物理先验，并结合物理信息约束进行联合训练，实现集成光子器件电磁场的高效仿真，具体包括以下步骤：

4、s100、数据预处理：获取待仿真集成光子器件的相对介电常数空间分布、输入端口激励信息以及工作波长参数，构建空间离散化输入数据；

5、s200、方向解耦特征提取：将所述输入数据输入至波场仿真网络，通过方向解耦的多尺度各向异性特征提取结构，分别提取沿电磁波传播方向的长程传播特征和垂直于传播方向的横向局部边界特征，获得初始空间特征图；

6、s300、神经模态投影：基于所述初始空间特征图，通过可训练的横向模态基底对垂直于电磁波传播方向的横向空间特征进行加权聚合，将聚合后的特征映射至模态表示空间，获得表征不同传播模式的模态特征序列；

7、s400、定向因果传播建模：基于状态空间传播模型，为每个传播模态在各离散传播位置处建立独立的隐状态变量，沿电磁波物理传播轴从输入端到输出端进行定向因果递推计算，获得各传播位置对应的传播状态特征；

8、s500、跨模态相干耦合：在同一传播位置处，将各传播模态对应的传播状态特征沿模态维度进行组合，并输入至模态交互网络进行模态间特征交互和信息融合，获得表征多模相干干涉的相干耦合特征；

9、s600、场重建与输出：将所述相干耦合特征映射回空间特征域，并通过场解码网络重建待仿真集成光子器件内部对应的复数电磁场分布；基于重建的复数电磁场分布，计算并输出所述集成光子器件对应输出区域的电磁响应参数；

10、s700、联合训练优化：在训练阶段，以预测复数电磁场与目标复数电磁场之间的场分布误差作为数据监督损失函数，同时引入基于电磁场控制方程的物理约束损失函数，构建联合损失函数对网络参数进行迭代优化；在优选实施例中，所述电磁场控制方程采用亥姆霍兹方程；在其他实施例中，所述电磁场控制方程还可采用麦克斯韦方程组或由麦克斯韦方程组导出的等效传播控制方程。

11、进一步地，步骤 s200 中所述方向解耦的多尺度各向异性特征提取结构采用串行独立提取架构，具体包括：对所述空间离散化输入数据进行通道升维的初始特征映射，获得高维空间特征；先通过沿电磁波传播方向设置的轴向特征提取分支，提取器件内部连续传播路径上的长程传播特征和干涉响应特征；再通过沿垂直于电磁波传播方向设置的横向特征提取分支，提取介质边界区域和结构不连续区域的局部空间特征；对横向特征提取分支输出的特征进行通道压缩和非线性激活后，与所述高维空间特征进行残差连接，并经过归一化处理，获得所述初始空间特征图。

12、进一步地，步骤 s300 中，所述可训练的横向模态基底为通过训练数据自适应学习获得的传播模态表示基底，降低了对预先通过电磁方程求解固定物理本征模的依赖，并减少了器件本征模预计算过程。

13、进一步地，步骤 s400 中，所述状态空间传播模块根据局部介质分布特性和当前模态特征，自适应调整相邻传播位置之间的状态转移参数，用于表征电磁波在器件内部传播过程中的相位演化、能量耦合和自成像效应。

14、进一步地，步骤 s500 中，所述模态交互网络采用残差多层感知机实现，在保持空间维度信息不变的条件下，仅沿模态维度进行特征交互与特征更新，以实现不同传播模态之间的信息融合。

15、进一步地，所述波场仿真网络还包括与主传播路径对应设置的反向残差补偿路径，具体包括：提取所述方向解耦的多尺度各向异性特征提取结构输出的初始空间特征图；在所述反向残差补偿路径中，沿与电磁波传播方向相反的传播顺序，对所述初始空间特征图进行反向特征更新，获得空间残差特征；将所述跨模态相干耦合特征映射至空间特征域，并与所述空间残差特征进行特征融合，获得补偿后的空间特征图；将所述补偿后的空间特征图输入至场解码网络，以重建待仿真集成光子器件内部对应的复数电磁场分布；所述反向残差补偿路径用于补偿电磁波传播过程中产生的输出侧介质不连续性、弱反射分量以及局部传播偏差。

16、进一步地，步骤 s700 中，所述物理约束损失函数通过将场解码网络输出的预测复数电磁场分布代入待仿真集成光子器件对应的电磁场控制方程，计算传播区域内的控制方程残差构建得到；在优选实施例中，所述电磁场控制方程采用亥姆霍兹方程。

17、本发明相较于现有技术，具有如下有益效果：

18、其一，本发明通过在波场仿真网络中融入电磁波定向传播物理先验并结合物理信息约束训练，能够实现集成光子器件电磁场的快速推理，相比传统数值求解方法能够提高仿真效率，适用于大规模参数扫描与器件优化设计。

19、其二，本发明通过方向解耦特征提取、神经模态投影、状态空间传播建模以及跨模态耦合机制，提高了全复数电磁场预测精度，并改善了局部输出区域的响应预测能力。

20、其三，本发明进一步结合反向残差补偿机制和物理约束训练机制，提高了模型在复杂传播场景下的物理一致性和跨器件条件下的泛化能力。

21、本发明可广泛应用于波导、定向耦合器、多模干涉器等各类定向传播型集成光子器件的快速仿真与性能评估，可为光计算与片上光网络芯片的设计提供仿真分析支持。