微纳光电子器件的优化方法及片上模分复用/解复用器

本发明涉及微纳光电子器件，特别地，涉及一种微纳光电子器件的优化方法及片上模分复用/解复用器。

背景技术：

1、随着人类社会的发展，人们在生产生活中产生和需要的信息量成指数增长。如何高效地传输和处理这些信息成为人类亟待解决的问题。由于光子通信具有延迟低、带宽大、损耗小等优点，“光互连”技术被认为是一种非常有前途的高速通信解决方案，并且其可以应用先进的光子复用技术来进一步提高容量。与此同时，“光通信”、“光计算”等技术也被广泛应用于人类信息前端收发与后端处理领域。为了满足低能耗、低占地面积、高机动性等需求，光互连、光通信、光计算系统正在逐渐向小型化(最终达到芯片级尺寸)、大规模集成化方向靠拢。

2、片上大规模集成化的光互连、光通信、光计算技术的实现，离不开各种各样的光电子器件，尤其是微纳光电子器件。目前，已经有大量的学术研究报道了很多基于传统方法设计的微纳光电子器件，由于这些器件尤其是多功能或者系统化的器件，通常需要占用数十或数百个μm2的面积，所以虽然它们可以取得一定的效果，但是很难用在片上大规模集成方面，因此对未来光互连技术的发展趋势适应性较差。除了应具有很小的占用面积外，每个器件尽可能低的插入损耗和尽可能低的串扰也是实现片上微纳光电子器件密集集成的必要条件。

3、传统方法设计的微纳光电子器件尺寸较大的原因是，在设计这类器件时，传统的设计方法往往都是先根据经验以及相关的理论知识设计一个基于规则波导的初始结构，然后通过扫描某些特定的参数或者通过分析半解析模型来设计。由于适合解析分析的物理过程往往需要较大尺度的作用空间，所以这些器件的尺寸一般都较大。并且，按照这种方法设计的器件，其可变参数空间很小，其设计自由度很受限。如前文所述，这对于片上大规模集成来说是个很严重的缺陷。

4、如今，有很多的智能化设计算法问世，其中有很多的智能化设计算法被应用到了微纳光电子器件的设计过程中。与传统方法相比，智能化算法设计具有设计过程简单直观、参数自由度大、理论门槛低等优势。常用的设计微纳光电子器件的算法有遗传算法(genetic algorithm，ga)、粒子群优化(particle swarm optimization，pso)、直接二进制搜索(direct binary search，dbs)算法、伴随法(adjoint method，am)等。然而，这些算法也具有一些不足之处。例如，遗传算法、粒子群优化算法等在优化器件时往往需要先给定初始结构和需要优化的参数(一般情况下为长、宽、高、角度、间隔等形状参数)，之后利用算法对这些参数进行优化，找到使得优化目标满足需求的参数数值组合。这就使得遗传算法、粒子群优化算法的优化过程实际上是在一系列“相似但不相同的形状(例如不同长宽比的矩形)”的器件中寻优，因此其选择的自由度较小，而且遗传算法由于其优化过程目标性不强，因此优化耗费的时间和运算成本较高。直接二进制搜索算法在设计器件时无需给定初始结构，只需要给定优化区域，就可以在优化区域内通过对每个“像素”的“翻转”找到最优结构。其优化过程实际上是在一个大的“器件的形状集”(可类比于照片集)中寻优。然而，其也面临着形状集巨大导致寻优计算成本较高、容易局部收敛、神经网络训练难度大等问题。

5、由于一个大规模的集成芯片中可能需要极大数量的器件，因此，设计每个器件的时间和运算成本都是需要着重考虑的。设计时间和运算成本都需要控制在合理范围内，否则很多集成目标实际上是无法实现的。

6、另外，“光互连”技术作为一种高速通信解决方案，其带宽是一个备受关注的参数。近几十年来，先后有波分复用(wdm)技术，空分复用(sdm)技术等多种复用技术应运而生。这些技术很大程度上扩充了光互连的带宽，以支持光传输信息量需求的飞速增长。除此之外，近些年，光的模分复用(mdm)技术也逐渐进入人们的视野。所谓模分复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或少模光纤或总线波导上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。这种技术可以利用不同模式的光之间互不干扰的原理，在同一个信息通道里同时传输多个信号。近年来，基于绝缘体上硅(silicon on insulator,soi)的硅基集成模分复用系统(mdm)由于其尺寸小、与cmos制造工艺兼容、以及对目前已成熟的波分复用系统(wdm)的扩展性而引起了广泛关注。

技术实现思路

1、本发明提供了一种微纳光电子器件的优化方法及片上模分复用/解复用器，以解决1、目前用于设计微纳光电子器件的优化算法普遍存在运算成本高、优化耗时长的问题；2、算法存在容易局部收敛的问题；3、算法的优化自由度都不适中，偏大或偏小；4、现有的模分复用器尺寸过大，不利于片上大规模集成使用的技术问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种微纳光电子器件的优化方法，包括以下步骤：

3、s1、在仿真软件中建立基础仿真要素如基底以及其他非待设计器件如配合使用的光通信波导，以光通信波导底平面为x-y平面，在x-y平面上设定一个设计区域，在设计区域内设置一个n顶点的初始多边形；

4、s2、以初始多边形为底、以设计高度为高，在仿真软件中确定一个多棱柱，多棱柱与光通信波导连接，多棱柱内填充待优化器件的材料，计算此时整个仿真模型的品质因数值；

5、s3、选择初始多边形的一个可移动顶点作为搜索点，改变此搜索点在x-y平面内的位置，每改变一次搜索点的位置，产生一个新的多边形形状，计算一次品质因数值；

6、s4、搜索使得品质因数值最优的搜索点的位置，确定此时使得品质因数值最优的多边形的形状；

7、s5、将搜索点的位置保持在使得品质因数值最优的位置，对下一个搜索点重复s3、s4的操作，直到所有的搜索点均搜索过一遍最优位置为一次迭代；

8、s6、重复迭代，直至达到设定的迭代次数或者整个仿真模型的品质因数值达成目标指标。

9、进一步地，步骤s4具体包括步骤：

10、s41、记录下s3中搜索点在w个不同搜索位置时分别对应的品质因数值；

11、s42、对由这些搜索位置所连接的直线上的品质因数值的变化规律进行拟合；

12、s43、找出使得品质因数值最大的搜索位置a，再找出所有经过搜索位置a的函数中在搜索位置a处品质因数变化最快的函数，然后使搜索点从搜索位置a出发向品质因数变优的方向，再随机前进一个距离至搜索位置b，计算出b对应的品质因数值；

13、s44、比较搜索位置a与搜索位置b对应的品质因数值，搜索点位置确定为品质因数值更优的位置；

14、s45、确定此时使得品质因数值最优的多边形的形状。

15、进一步地，步骤s42具体包括步骤：当直线由m个搜索位置连接而成，该直线上这m个位置之间品质因数值的变化规律由m-1次函数表示。

16、进一步地，步骤s45具体包括步骤：将多边形的所有顶点依次连线，然后再首尾相连，因连线交叉而产生的多边形与其他多边形视作同一个多边形的不同部分。

17、进一步地，光通信波导包括通讯总线和多个单模通道；品质因数值为每个单模通道的透过率之和。

18、进一步地，光通信波导的高度为220nm，单模通道为四个；设计区域的尺寸为4.5μm×4.5μm，初始多边形为七十八边形，多棱柱的设计高度为220nm，多棱柱的填充材料为硅；初始多边形包括十个固定顶点和六十八个可移动顶点，十个固定顶点分为五组，每组两个，分别用于连接通讯总线和四个单模通道，每个搜索点改变四次位置，改变位置每次移动50nm。

19、本发明具有以下有益效果：

20、1、优化速度快，能够节省大量的计算时间和计算资源；

21、2、具有形状搜索能力，无需给定详细的初始结构；

22、3、优化自由度适中，小于dbs算法，大于遗传算法和粒子群优化；

23、4、与dbs算法相比，更不易局部收敛；

24、5、适用范围广，不受器件材料、维度、功能以及周围材料的影响，只负责优化多边形的形状，因此，其他任何可以用在微纳光学器件的材料均能利用此算法设计功能器件。

25、6、通过本实施例的优化方法设计出的片上模分复用/解复用器，比目前已报道的尺寸最小的te0～te3四阶模分复用/解复用器尺寸更小，很大程度上解决了传统设计方法设计的器件一般都存在的尺寸过大的弊端。

26、根据本发明的另一方面，还提供了一种片上模分复用/解复用器，所述片上模分复用/解复用器包括基底和设于所述基底上的顶层硅结构，所述顶层硅结构包括光通信波导和用于模式分束复用/解复用的多棱柱器件，所述光通信波导包括通讯总线和多个单模通道，每个所述单模通道输入的te0模式通过所述多棱柱器件分别转换为te0模式、te1模式、te2模式或te3模式中的一种，并从通讯总线输出；所述通讯总线输入的te0模式、te1模式、te2模式或te3模式中的每种模式通过所述多棱柱器件转换为te0模式，分别从不同的所述单模通道输出。

27、进一步地，所述通讯总线和所述单模通道分别设于所述多棱柱器件的两端，所述单模通道为四个，所述通讯总线传输te0模式、te1模式、te2模式和te3模式四种模式。

28、进一步地，所述光通信波导的宽度为0.5μm～2μm。

29、进一步地，所述通讯总线的宽度为2μm，所述单模通道的宽度为0.5μm。

30、本发明具有以下有益效果：

31、本发明提供的片上模分复用/解复用器，结构紧凑，比目前已报道的尺寸最小的te0～te3四阶模分复用/解复用器尺寸更小，有利于片上微纳光电子器件的大规模密集集成。

32、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。