CN115292877B 一种基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法 （北京邮电大学）

一种基于拓扑优化的光子器件自适应逆向本发明提出了一种基于拓扑优化的光子器具差异化处理特性和动态调整特性的自适应投2所述光子器件包括一个或多个输入波导和一个或多个输根据所述光子器件的预定义设计精度将所述光子器件中的预设功能区域进行平面像对所述预设功能区域内所有平面像素单元设置等效相对介电常数调控因子形成等效对初始化后的所述等效相对介电常数调控因子分布进行模糊化、自适区域内的所述等效相对介电常数分布带入到麦克斯韦方程组并应用电磁计算方法进行求其中，在自适应投影化处理时，使用兼具差异化处理特性和动述两个权重因子用于每次迭代优化过程中对光子器件预设功能区域的不同平面像素单元式中，为每次迭代过程中经过模糊化处理后的平面像素单元的第一等效相对介电常3.根据权利要求1中所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法，其特征在3所述品质因数具体为：光源经过光子器件后，所述探针在输出波导的到的电磁场分布与所述指定区域内期望得到的电磁场分布进行离散重叠积分之后的归一磁场分布的共轭矩阵的各元素求和结果与所述指定区域内期望得到的电磁场分布的矩阵所述平面像素单元是指依据所述预定义设计精度，对所述预设功能区域进行网格划所述光子器件是由输入波导对应的等效相对介电常数分布、输出波导介电常数分布与预设功能区域内所有平面像素单元对应的等效相对介电常数分布共同确所述迭代优化是优化所述预设功能区域内等效相对介电常数调控因子所述完全二值化是指经过多次迭代优化后得到的光子器件只由两种不同折射率的材相对介电常数表示所述两种不同折射率的材料中高折射率材料的等效4.根据权利要求1的所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法，其特征在S2：依据所述预定义设计精度，将所述预设功能区域所述探针用于探测输出波导指定区域的电磁S4：对预设功能区域内每一个平面像素单元内的S5：初始化处理之后的每一个平面像素单元的等元内的等效相对介电常数进而形成预设功能区域内的等效相对介电常S6：将预设功能区域内的等效相对介电常数4等效相对介电常数分布和输出波导对应的等效相对介电常数分布得到了满足设计要求的S7：迭代优化，即利用优化算法根据上次迭代结常数分布，再结合输入波导的等效相对介电常数分布和输出波导的等效相对介电常数分5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法的具体设计流将预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值均设置为一0,1]；或，将预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值进行随或，预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值进行随机6.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法具体设计流7.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法具体设计流8.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法具体设计流9.根据权利要求1_8任一项所述的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法，其5收敛时品质因数最大值相较于连续优化收敛时品质因数最大值有所下降)、设计结束后光[0009]根据所述光子器件的预定义设计精度将所述光子器件中的预设功能区域进行平6[0010]对所述预设功能区域内所有平面像素单元设置等效相对介电常数调控因子形成[0011]对初始化后的所述等效相对介电常数调控因子分布进行功能区域内的所述等效相对介电常数分布带入到麦克斯韦方程组并应用电磁计算方法进质因数的所述具体函数值对所述预设功能区域进行迭代优化，直至品质因数收敛至最大探测到的电磁场分布与所述指定区域内期望得到的电磁场分布进行离散重叠积分之后的的电磁场分布的共轭矩阵的各元素求和结果与所述指定区域内期望得到的电磁场分布的相对介电常数分布与预设功能区域内所有平面像素单元对应的等效相对介电常数分布共[0017]所述迭代优化是优化所述预设功能区域内等效相对介电常数调控因子分布的过化和线性插值处理后转变为新的等效相对介电[0018]所述完全二值化是指经过多次迭代优化后得到的光子器件只由两种不同折射率7平面像素单元的等效相对介电常数转变为两种预先选定材料的第一等效相对介电常数和述两个权重因子用于每次迭代优化过程中对光子器件预设功能区域的不同平面像素单元理特性和动态调整特性的自适应投影函数的表达8[0030]自适应投影函数的差异化处理在提升设计效率的同时也保证了获得的光子器件能区域内不同平面像素单元内第一等效相对介电常数调控因子的差异化投影处理得到和α2可间接差异化处理光子器件预设功能区域内每个平面像素单元内的等效相对介电常2使得预设功能区域内小于等于阈值[0031]另外，上述自适应投影函数采用了双曲正切函数的两次嵌套结构增加了投影强9像素单元内的等效相对介电常数进而形成预设功能区域内的等效相对介应的等效相对介电常数分布和输出波导对应的等效相对介电常数分布得到了满足设计要值重新为预设功能区域内的每个平面像素单元生成一个新的等效相对介电常数调控因子，[0041]将预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值均设置[0042]或，将预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值进[0044]或，预设功能区域内的所有平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值进行随机化取值，且每一个平面像素单元的等效相对介电常数调控因子ρ值服从U(0,1)均匀分计获得的光子器件具有较大的特征尺寸，即具有相同等效相对介电常数ε的平面像素单元[0051]其中，ε表示每次迭代过程中经过线性插值处理后的平面像素单元的等效相对介折射率的材料为硅(Si)、锗(Ge)、硅化锗(SiGe)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅x[0061]图4为本发明实施例一提供的功率分束器品质因数随着迭代次数增加逐步收敛的[0062]图5为本发明实施例一提供的功率分束器的俯视轮廓图和输入激励光源后的电磁[0064]图7为传统基于拓扑优化的光子器件逆向设计方法和本发明中提出的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法获得的功率分束器的俯视轮廓示[0067]图10为本发明实施例二提供的弯曲波导品质因数随着迭代次数增加逐步收敛的[0068]图11为本发明实施例二提供的弯曲波导的俯视轮廓图和输入激励光源后的电磁[0072]根据图1提供的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法流程示意图，本实段(中心波长位于1310nm)。SOI衬底的顶部硅层厚度为220nm、下层二氧化硅层厚度为2为本发明实施例一提供的功率分束器的三维示意图，图2中的(a)为未添加二氧化硅盖层[0075]其中，为光源经过光子器件后在输出波导指定区域内实际的电磁场分布的数调控因子，作为优选，本实施例将预设功能区域所有平面像素单元内的ρ值设置为一常具体函数值重新为预设功能区域内的每个平面像素单元生成一个新的等效相对介电常数[0084]图5为本发明实施例一提供的功率分束器的俯视轮廓图和输入激励光源后的电磁输出波导的透射率为48.87上输出波导的透射率为49.35整个功率分束器件最小插入损耗仅为0.078dB，图6为本发明实施例一提供的功率分束器透射率随波长的变化示意器件逆向设计方法获得的功率分束器与本发明提出的基于拓扑优化的光子器件自适应逆发明提出的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法相同，以此达到控制变量的目[0087]图7为传统基于拓扑优化的光子器件逆向设计方法和本发明中提出的基于拓扑优7中的(a)展示了用传统基于拓扑优化的光子器件逆向设计方法获得的功率分束器的俯视艺制备时，必须将这些平面像素单元的等效相对介电常数ε转变为预先选取的两种不同折本发明提出的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法获得的功率分束器俯视轮廓不会出现因转化造成工艺制备所使用的光子器件结构与设计结束时的光子器件结构不一透射率均在45％以上的带宽为361nm，用本发明中提出的基于拓扑优化的光子器件自适应于拓扑优化的光子器件逆向设计方法得到的相同尺寸功率分束器提升了13.57获得了[0091]为了进一步说明本发明提出的基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法的[0094]其中，Eim为光源经过光子器件后在输出波导指定区域内实际的电磁场分布的具体函数值重新为预设功能区域内的每个平面像素单元生成一个新的等效相对介电常数[0103]图11为本发明实施例二提供的弯曲波导的俯视轮廓图和输入激励光源后的电磁以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改