基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法，属于集成光子器件设计领域，包括：芯片，包括从下至上依次设置的硅衬底层、氧化硅层、平板光波导以及相变材料层；相变材料层未覆盖输入端口和输入端口；光调控模块，设置于芯片上方，可进行三维平移，用于对相变材料层中不同位置进行激光照射，以改变相应位置处相变材料的状态；信号光源，设置于平板光波导的输入端口一侧，用于输入激光信号；以及光电探测模块，设置于平板光波导的输出端口一侧，用于探测输出光信号的光功率，得到芯片的光学响应；优选地，平板光波导的输出端口还集成有非线性材料。本发明专利技术能够有效提高集成光子器件逆向设计的效率，并减少所需消耗的计算资源。耗的计算资源。耗的计算资源。

Reverse design photon simulator and reverse design method based on phase change materials

【技术实现步骤摘要】
基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法


[0001]本专利技术属于集成光子器件设计领域，更具体地，涉及一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法。

技术介绍

[0002]随着第五代(5G)移动通信和人工智能技术的快速发展，数据量呈现指数增长，对高性能、小型化、多功能集成光子器件的需求与日俱增。传统设计方法是按照直接设计的思路，根据设计要求，先从已知的器件模型库中选取合适的结构，在不改变主体结构的前提下，通过调节少量的结构参数，使之能够满足目标需求。然而，由于受限于已知的模型库，传统设计方法已经无法满足目前的大带宽、多频段、非线性和密集集成的集成光子应用的需求。
[0003]逆向设计方法正在替代传统设计方法，成为高性能集成光子器件设计中广泛使用的强大工具。逆向设计是直接从目标出发，定义一个评价函数来评价器件功能与设计目标的匹配程度，通过不断调整优化区域的结构和材料参数，使目标函数不断逼近极值，从而找到具有目标光学响应的器件结构。在逆向设计过程中，首先将光子器件的设计区域离散成纳米级的像素，通过优化算法更新像素的有效折射率，然后通过电磁模拟得到当前光子器件结构的光学响应。优化程序将不断重复，直到光学响应满足目标。然而，由于器件结构的光学响应需要在每次迭代中通过电磁模拟获得，而且迭代次数也会随着目标函数的复杂性而显著增加，所以通常需要几天甚至几个月的时间才能获得满足设计要求的最终优化有效折射率分布。此外，现有的逆向设计光子仿真器只能实现线性功能，而无法实现非线性功能，因此，所能实现的功能较为有限。<br/>[0004]综上所述，目前的逆向设计方法严重依赖于计算密集型的电磁模拟或耗时的模型训练，在训练和设计过程中需要消耗大量的计算资源，耗时长且能耗高。为了适应集成光子器件日益复杂的设计需求，亟需研发一种专用于超高速、超低能耗光子器件逆向设计方法和系统。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法，其目的在于，有效提高集成光子器件逆向设计的效率，并减少逆向设计过程中所需消耗的计算资源。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器，包括：信号光源，芯片，光调控模块以及光电探测模块；
[0007]芯片包括从下至上依次设置的硅衬底层、氧化硅层、平板光波导以及相变材料层；相变材料层未覆盖平板光波导的输入端口和输入端口；
[0008]光调控模块设置于芯片上方，可进行三维平移，用于对相变材料层中不同位置进行激光照射，以改变相应位置处相变材料的状态，从而影响平板光波导中的光场传输；
[0009]信号光源设置于平板光波导的输入端口一侧，用于向平板光波导输入激光信号；光电探测模块设置于平板光波导的输出端口一侧，用于探测平板光波导输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应。
[0010]本专利技术所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其实现逆向设计仿真的原理为：芯片中，非易失的相变材料层覆盖在平板光波导上方，相变材料的状态可在晶态、非晶态等多种不同状态之间发生变化；通过设置在芯片上方的光调控模块的激光照射，可以对相变材料层中不同位置的相变材料的状态进行调控，相应地会引起相变材料层中局部有效折射率的变化，而相变材料层中局部有效折射率的变化又将进一步影响光信号在平板光波导中的光场传输，进而影响最终的光子仿真结果，即平板光波导的光学响应；通过光电探测模块对芯片的光学响应进行探测，即可基于探测结果判断芯片的光学响应是否满足设计目标。
[0011]本专利技术利用实际的光传播获取实际的光响应，通过用光传播的真实物理过程取代电磁模拟，并且利用非易失性相变材料不用额外的功耗用于维持状态的特性对平板光波导中的光场分布进行调控，可以实现超快速和高能效的在线逆向设计，光子器件逆向设计所需时间从几天甚至几个月缩短至数十分钟，显著缩短了光子器件的设计周期；此外，本专利技术直接在待设计的芯片上进行仿真，仿真结果即为芯片的实际光学响应特性，因此，本专利技术的仿真结果具有较高的精度。
[0012]进一步地，平板光波导的输出端口还集成有非线性材料。
[0013]本专利技术通过在平板光波导的输出端集成非线性材料，可以在相变材料对输出光场的线性调控的基础上，实现对输出光场的非线性调控，使得芯片具备构建输出与输入之间的非线性映射的能力，进而实现复杂的非线性功能。
[0014]进一步地，非线性材料为锗或石墨烯，这些非线性材料的等离子体效应强弱可以通过金属热电极进行调节，实现对输出光场进行非线性调控。
[0015]进一步地，光调控模块包括三维平移台和安装于三维平移台上的调控光源，调控光源输出的激光与芯片垂直。
[0016]本专利技术中，调控光源设置于三维位移平台，可精确移动，调控迅速，便于在线实时训练，具备功能的可重构性。
[0017]进一步地，相变材料层的材料为GST、GSST或Sb2Se3。
[0018]按照本专利技术的另一个方面，在上述基于相变材料的逆向设计光子仿真器的基础上，提供了一种逆向设计方法，包括如下步骤：
[0019](S1)利用信号光源向平板光波导中指定的输入端口输入波长和光功率均可调节的激光信号；
[0020](S2)将相变材料层划分为多个网格；
[0021](S3)利用光调控模块对相变材料层中不同网格处的相变材料的状态进行调控；
[0022](S4)利用光电探测模块探测平板光波导中指定的输出端口输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应，并记录当前的网格调控策略及相应的光学响应；
[0023](S5)迭代执行(S3)～(S4)，直至芯片的光学响应满足预设的设计目标或者迭代次数达到预设的最大迭代次数；
[0024](S6)将使得芯片的光学响应最近设计目标的网格调控策略确定为目标调控策略，
并将按照目标调控策略进行调控后的芯片作为逆向设计得到的光子器件。
[0025]本专利技术所述提供的逆向设计方法，直接在待设计的芯片上进行仿真，属于一种在线训练的方法，具有系统鲁棒性，可以自适应外部环境的变化。
[0026]进一步地，步骤(S5)还包括：
[0027]若迭代次数达到预设的最大迭代次数时，芯片的光学响应不满足设计目标，则调整相变材料层的网格划分方案后，转入步骤(S2)，重新开始迭代。
[0028]本专利技术所提供的逆向设计方法，可以根据设计目标的复杂程度，灵活调整相变材料层的网格划分方案，包括对网格大小、网格数量等的调控，适应性更强，可实现更为丰富的光子器件功能。
[0029]进一步地，步骤(S3)中，依据晶化度公式对网格处的相变材料的状态进行调控，晶化度公式为：
[0030][0031]其中，p为晶化度，ε
c
和ε
a
分别是非易失性相变材料在晶态和非晶态下的介电率常数，ε
eff
(p)为晶化度为p时的有效介电常数。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其特征在于，包括：信号光源(3)，芯片，光调控模块以及光电探测模块(7)；所述芯片包括从下至上依次设置的硅衬底层、氧化硅层、平板光波导(1)以及相变材料层(2)；所述相变材料层(2)未覆盖所述平板光波导(1)的输入端口和输入端口；所述光调控模块设置于所述芯片上方，可进行三维平移，用于对所述相变材料层(2)中不同位置进行激光照射，以改变相应位置处相变材料的状态，从而影响所述平板光波导(1)中的光场传输；所述信号光源(3)设置于所述平板光波导(1)的输入端口一侧，用于向所述平板光波导(1)输入激光信号；所述光电探测模块(7)设置于所述平板光波导(1)的输出端口一侧，用于探测所述平板光波导(1)输出的光信号的光功率，得到所述芯片的光学响应。2.如权利要求1所述的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其特征在于，所述平板光波导(1)的输出端口还集成有非线性材料(6)。3.如权利要求2所述的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其特征在于，所述非线性材料(6)为锗或石墨烯。4.如权利要求1～3任一项所述的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其特征在于，所述光调控模块包括三维平移台(5)和安装于所述三维平移台(5)上的调控光源(4)，所述调控光源输出的激光与所述芯片垂直。5.如权利要求1～3任一项所述的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其特征在于，所述相变材料层(2)的材料为GST、GSST或Sb2Se3。6.基于权利要求1～5任一项所述的基于相变材料的逆向设计光子仿真器的逆向设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)利...

【专利技术属性】
技术研发人员：董建绩，成骏伟，张文凯，周海龙，张新亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：