基于遗传算法的波导模式转换器设计方法

本发明涉及波导模式转换器，尤其涉及一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

背景技术：

1、模式转换器的出现，主要是为了解决光通信领域数据容量增速远低于数据增速的“容量紧缩”问题，主要应用于模分复用技术，在光计算、光通信领域有最主要的应用潜力。

2、传统的模式转换器主要有马赫—曾德尔干涉仪、拓扑优化的光子晶体波导、锥形结构波导、定向耦合器、级联沟槽硅纳米线等，普遍都存在尺寸大，损耗大，带宽窄等问题。

3、近些年，提出了可应用于片上光子集成的基于人工微纳结构的模式转换器，该模式转换器通过在波导(一般是硅，也有用氮化硅、铌酸锂等材料的)上浅刻蚀或者全刻蚀一定的微纳结构，引入折射率的变化，通过折射率的微扰来实现模式转换。微纳结构的几何结构(也称为设计版图)直接影响模式转换器的性能，而几何结构一般会由几个刻蚀参数决定，因此如何获得这些刻蚀参数的值成为模式转换器设计的主要技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

2、第一方面，本发明提供一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法，包括：

3、步骤1)，随机生成一个初始种群，包括多个个体，每个所述个体的基因根据纳米孔刻蚀参数进行编码；

4、步骤2)，对种群中每个所述个体的基因解码，得到每个所述个体的基因所对应的纳米孔刻蚀参数；

5、步骤3)，根据每个所述个体的基因所对应的纳米孔刻蚀参数，求解得到每个所述个体的透射率和串扰；

6、步骤4)，根据每个所述个体的透射率和串扰，分别计算每个所述个体的适应度，并找出种群中适应度最高的个体作为最优个体；

7、步骤5)，判断是否达到迭代终止条件，若是，则输出所述最优个体，结束迭代，若否，更新迭代次数，执行步骤6)；

8、步骤6)，通过选择操作、交叉操作和变异操作，生成下一代种群，返回步骤2)。

9、可选地，所述纳米孔刻蚀参数取决于在硅波导上刻蚀形成多个纳米孔的形状，若纳米孔为矩形，所述纳米孔刻蚀参数包括纳米孔的中心坐标、纳米孔的长度和纳米孔的宽度，若纳米孔为圆形，所述纳米孔刻蚀参数包括纳米孔的中心坐标和纳米孔的半径。

10、可选地，根据适应度函数分别计算每个所述个体的适应度，所述适应度函数表达式为：

11、of_multi＝trans_wt*tr+cross_wt*cr；

12、其中，of_multi表示适应度，trans_wt表示透射率的权重，cross_wt表示串扰的权重，tr表示透射率，cr表示归一化处理的串扰。

13、可选地，在计算适应度的过程中，透射率的权重和串扰的权重是变化的；

14、在初始化时，透射率分配一个大权重，串扰分配一个小权重；

15、当求解得到的所有个体的最大透射率与最小透射率的差值小于设定的第一阈值时，重新分配权重：透射率分配一个小权重，串扰分配一个大权重。

16、可选地，所述迭代终止条件，包括：

17、所述最优个体的适应度是否达到收敛条件，所述最优个体的适应度是否大于设定的第二阈值。

18、可选地，所述选择操作，包括：根据精英保留策略，保留种群中的最优个体直接进入下一代种群；对当前种群采用锦标赛法选择出适应度更高的个体作为下一代种群的父本和母本。

19、可选地，所述交叉操作，包括：按照设定的交叉点位和交叉规则，对选择出的父本和母本的染色体进行交叉，得到的个体进入下一代种群。

20、可选地，所述变异操作，包括：按照设定的变异个体数量和变异位数，对下一代种群的染色体进行变异。

21、另一方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

22、另一方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

23、本发明实施例提供的一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法，是一种逆向设计方法，可以根据设计需求，快速确定纳米孔刻蚀参数，得到模式转换器的设计版图。而且具有很好的通用性，可以应用于其他类似微纳光学器件的设计。

技术特征：

1.一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米孔刻蚀参数取决于在硅波导上刻蚀形成多个纳米孔的形状，若纳米孔为矩形，所述纳米孔刻蚀参数包括纳米孔的中心坐标、纳米孔的长度和纳米孔的宽度，若纳米孔为圆形，所述纳米孔刻蚀参数包括纳米孔的中心坐标和纳米孔的半径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据适应度函数分别计算每个所述个体的适应度，所述适应度函数表达式为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在计算适应度的过程中，透射率的权重和串扰的权重是变化的；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代终止条件，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择操作，包括：根据精英保留策略，保留种群中的最优个体直接进入下一代种群；对当前种群采用锦标赛法选择出适应度更高的个体作为下一代种群的父本和母本。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述交叉操作，包括：按照设定的交叉点位和交叉规则，对选择出的父本和母本的染色体进行交叉，得到的个体进入下一代种群。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述变异操作，包括：按照设定的变异个体数量和变异位数，对下一代种群的染色体进行变异。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一所述的基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一所述的基于遗传算法的波导模式转换器设计方法。

技术总结
本发明提供一种基于遗传算法的波导模式转换器设计方法，随机生成一个初始种群，包括多个个体，每个个体的基因根据纳米孔刻蚀参数进行编码；对种群中每个个体的基因解码，得到每个个体的基因所对应的纳米孔刻蚀参数，进一步求解得到每个个体的透射率和串扰；根据每个个体的透射率和串扰，分别计算每个个体的适应度，并找出种群中适应度最高的个体作为最优个体；判断是否达到迭代终止条件，若是，则输出最优个体，结束迭代，若否，更新迭代次数，通过选择操作、交叉操作和变异操作，生成下一代种群，重复上述操作，直至输出最优个体。本发明提高了模式转换器的设计效率。

技术研发人员：窦同辉,岳嵩,侯煜,石海燕,李曼,王然,张昆鹏,刘宇欣,薛美,张紫辰
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12