用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构及其制备方法技术

本发明专利技术属于量子光学材料技术领域，公开了一种由遗传算法设计的具有光波单向传输特性的光二极管结构，包括二氧化硅基底，所述二氧化硅基底上方以硅阵列柱与空气柱为核心部分，左右两侧设置有波导，作为光波的入射和出射波导。所述硅柱及波导的高度均为300nm。本发明专利技术可实现光波单向传输结构实现了TM/TE线偏振光波的单向传输。本发明专利技术成果可广泛应用于光集成通信及信息处理器件。信及信息处理器件。信及信息处理器件。

【技术实现步骤摘要】
用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于量子光学材料
，具体涉及一种用遗传算法设计的集成纳米光子光学二极管的结构。

技术介绍

[0002]遗传算法模拟了自然界中生物自然淘汰的进化过程，学习不仅可以通过单个生物个体的适应来完成，还可以通过种群的进化来实现，并将其运用到计算机模型之中。Darwin进化论中适者生存的原理认为，每一代种群最终都会越来越适应环境。每一个个体都会继承但不完全继承父辈的特性，自身会随机的产生一些新特性，只有高度适应环境的个体才能被保留下来。遗传算法从代表问题中生成一个或多个初代解集(种群)，解集中的解又被称之为个体，个体本质上是带有特征的实体，经过基因编码来实现。经过适应函数筛选的个体形成的新的种群，遗传算法不断地评价每一个个体，保证更适应环境的个体拥有更多的繁殖机会。遗传算法放弃了梯度信息，重视的是种群之间的搜索策略，以及个体信息在种群内的交换，克服了传统搜索算法难以解决非线性复杂问题的缺点，具有适合并行处理、鲁棒性强、简单通用、搜索能力强和运用范围广的特点(王银年．遗传算法的研究与应用[D]．无锡：江南大学。2009．)。遗传算法优势在于：可以快速地将解空间中的全体解搜索出，全局搜索能力优秀。在求解较为复杂的组合优化问题时,相对一些常规的优化算法,能够较快地获得较好的优化结果。目前已经广泛地运用在自适应控制、机器学习、组合优化、人工生命等领域。
[0003]全光二极管，又称光学隔离器，其功能是允许沿一个方向传播的光波通过该器件，并阻止反向的光波传播。全光二极管在集成光通信、全光网络和光信息处理中具有重要应用。目前，商用的具有单向传输功能的法拉第光隔离器尺寸在毫米级，已经被广泛应用于光通信领域，但是由于需要外加磁场控制旋磁效应，使其难以与现有的半导体光子学系统集成。目前，光学集成器件朝着微纳尺度发展，因此急需设计微纳尺度的全光二极管。
[0004]打破时间反转对称性的光二极管纳米结构是实现光子集成电路的理想构件。在光二极管器件设计的研究中引入遗传算法，设计的光学器件的性能优于先前的产品。使用遗传算法自动搜寻材料的几何结构，(Nanophotonic computational design, Inverse design and implementation of a wavelength demultiplexing grating coupler, Integrated metamaterials for efficient and compact free
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space
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to
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waveguide coupling) ，在不影响其效率或功能的情况下大大减小了设备的尺寸，从而有可能实现尺寸少的功能强大的设备。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：如何将遗传算法和集成纳米光子光学二极管相结合涉及出具有较小的尺寸以及较好的光学特性的纳米光子光学二极管。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构，包
括长方体的二氧化硅基底（3），所述二氧化硅基底（3）上方有多个相同结构的单元硅柱（1）和单元空气柱（2）通过自适应遗传算法排列形成的矩形硅柱阵列，阵列的相对的前后或者左右两侧各有一个相同规格的波导即第一波导（4）和第二波导（5），规定光源在第一波导（4）入射时为正向入射方向，光源在波导（5）入射时为反向入射方向。
[0007]通过自适应遗传算法相间排列形成的矩形硅柱阵列阵列是指，遗传算法编码方式采用01编码制作成一个完整的矩形阵列，编码1 代表硅，0 代表空气，按位置对硅柱的编码值进行排序，排序采用从下而上从左至右的方式，形成一个一维数组，数组长度为a，以该一维数组作为遗传算法中的一个个体，个体的顺序和它的数值决定了独特的光学二极管结构，设置b个个体作为种群，代表b个不同的光二极管，使用随机生成的b个长度为a的数组代表第一代初始种群，然后所有第一代初始种群个体通过适应度函数评估他们的适应度，选择第一代初始种群个体中适应度最高的个体作为最优个体，适应度定义为光源在一个波导入射时另外一个波导接收到的光强度，之后进行选择操作，选择出第一代初始种群个体适应度高的个体进行交叉、变异，产生第二代种群，对第二代种群再进行评估适应度，将第二代种群中适应度最高的个体与最优个体进行适应性比较，选择大的个体作为新的最优个体，再选择出第二代种群个体适应度高的个体进行交叉、变异产生第三代种群，对第三代种群再进行评估适应度，将第三代种群中适应度最高的个体与最优个体进行适应性比较，选择大的个体作为新的最优个体，再选择出第三代种群个体适应度高的个体进行交叉、变异产生第四代种群如此迭代，直至连续n次迭代，最优个体不发生变化，停止迭代，按最优个体对应的一维数组对应的矩形阵列排列单元硅柱（1）和单元空气柱（2）形成矩形硅柱阵列。
[0008]所述单元硅柱（1）的高度为300nm，单元硅柱（1）的横截面为边长100nm的正方形，所述单元空气柱（2）的横截面为边长100nm的正方形，单元硅柱（1）与单元硅柱（1）间距为0nm，单元硅柱（1）与单元空气柱（2）间距为0nm，单元空气柱（2）与单元空气柱（2）间距为0nm，第一波导（4）和第二波导（5）的高度均为300nm宽度为400mn，第一波导（4）和第二波导（5）底面与单元硅柱（1）底面处于同一水平面，第一波导（4）和第二波导（5）间距d。
[0009]入射光波长为1400nm
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1600nm。
[0010]单元硅柱（1）的折射率为3.48，二氧化硅（3）折射率为1.6。
[0011]一种用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构的制备方法，首先，使用激光图案发生器在正性光刻胶中图案化 2.5微米宽的波导，然后，使用反应离子蚀刻机蚀刻硅，然后，使用双束聚焦离子束系统来定义纳米光子光二极管、输入/输出波导和锥度，纳米光子光二极管的最小特征尺寸为 100 纳米，可以使用 FIB 工具轻松实现，最后去除光刻胶，从而制备出能实现光波单向传输的光二极管结构。
[0012]本专利技术的有益效果是：使用遗传算法搜索完整的参数空间来设计纳米光子组件，不需要用户干预或手动调整。该方法可以实现光波段在1400nm ~ 1600nm光波的高效单向传输，其工作带宽，器件尺寸小，面积可以为2.5
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2.5 μm2。器件基于多重散射原理构建多个矩形硅阵列，正向打入的光波不会被器件发散，反向入射光会被发散，从而抑制了光波的反向传输。仿真结果显示，对于波长在1400nm ~ 1600nm之间的TM波，平均正向传输效率大于65％，峰值传输效率可以达到75％。在设计波长（1.5μm至1.6μm）下TE和TM波传输对比度的模拟值平均高于80％。可以广泛应用于量子光学领域。
附图说明
[0013]图1是本专利技术提出的一种用遗传算法设计的纳米光子光学二极管三维示意图；图2是图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构，其特征在于：包括长方体的二氧化硅基底（3），所述二氧化硅基底（3）上方有多个相同结构的单元硅柱（1）和单元空气柱（2）通过自适应遗传算法排列形成的矩形硅柱阵列，阵列的相对的前后或者左右两侧各有一个相同规格的波导即第一波导（4）和第二波导（5），规定光源在第一波导（4）入射时为正向入射方向，光源在波导（5）入射时为反向入射方向。2.根据权利要求1所述的一种用遗传算法设计的纳米光子光学二极管结构，其特征在于：通过自适应遗传算法设计相间排列的矩形硅柱阵列是指，遗传算法编码方式采用01编码制作成一个完整的矩形阵列，编码1 代表硅，0 代表空气，按位置对硅柱的编码值进行排序，排序采用从下而上从左至右的方式，形成一个一维数组，数组长度为a，以该一维数组作为遗传算法中的一个个体，个体的顺序和它的数值决定了独特的光学二极管结构，设置b个个体作为种群，代表b个不同的光二极管，使用随机生成的b个长度为a的数组代表第一代初始种群，然后所有第一代初始种群个体通过适应度函数评估他们的适应度，选择第一代初始种群个体中适应度最高的个体作为最优个体，适应度定义为光源在一个波导入射时另外一个波导接收到的光强度，之后进行选择操作，选择出第一代初始种群个体适应度高的个体进行交叉、变异，产生第二代种群，对第二代种群再进行评估适应度，将第二代种群中适应度最高的个体与最优个体进行适应性比较，选择大的个体作为新的最优个体，再选择出第二代种群个体适应度高的个体进行交叉、变异产生第三代种群，对第三代种群再进行评估适应度，将第三代种群中适应度最高的个体与最优个体进行适应性比较，选择大的个体作为新的最优个体，再选择出第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明达，朱小冬，杨毅彪，费宏明，刘欣，曹斌照，李雪梅，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：