一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统。该方法包括：打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构；根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数；如若所述拓扑相不符合要求，对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数；对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。本发明专利技术能够基于具有频率范围相关拓扑的带隙进行光子晶体的形状优化。隙进行光子晶体的形状优化。隙进行光子晶体的形状优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及光子晶体的形状优化
，特别是涉及一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统。

技术介绍

[0002]最近对光子系统中谷自由度的探索丰富了光的拓扑相位，并带来了边缘态在急弯周围的稳健输运。谷霍尔系统中的两个带隙因同时扩大工作带宽引起了研究人员的注意，然而，具有频率范围相关拓扑的带隙没有报道，对光子晶体优化的过程也没有进行详细的描述。以往为了获得更好的光子晶体性能参数，都是通过大量枯燥的人为手动修改参数，在本文中，我们提出使用拓扑优化理论，将期望得到的光子晶体性能量化为目标函数，通过对目标函数的优化，得到具有我们所期望性质的拓扑光子晶体，也为后续此类问题的解决提供一种思路。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统，能够基于具有频率范围相关拓扑的带隙进行拓扑光子晶体的形状优化。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法包括：
[0006]打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构；
[0007]根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数；
[0008]如若所述拓扑相不符合要求，对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数；
[0009]对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。
[0010]可选地，所述根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数，具体包括：
[0011]通过打破光子晶体内部结构的对称性，将谷陈数和所述双带隙能带结构的带隙进行组合作为目标函数的优值，自行模拟符合需求的具有不同频率的双带隙能带结构的光子晶体原胞的结构；
[0012]根据模拟出的光子晶体原胞的结构，得到结构参数。
[0013]可选地，所述对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数，具体包括：
[0014]通过遗传算法对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数。
[0015]可选地，所述对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞，具体包括：
[0016]对所述调整后的结构参数进行不同的修改，采用形状优化逆向设计方法得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。
[0017]一种基于拓扑光子晶体的形状优化系统包括：
[0018]双带隙能带结构形成模块，用于打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构；
[0019]结构参数确定模块，用于根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数；
[0020]结构参数调整模块，用于在所述拓扑相不符合要求时，对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数；
[0021]光子晶体原胞确定模块，用于对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。
[0022]可选地，所述结构参数确定模块，具体包括：
[0023]光子晶体原胞结构确定单元，用于通过打破光子晶体内部结构的对称性，将谷陈数和所述双带隙能带结构的带隙进行组合作为目标函数的优值，自行模拟符合需求的具有不同频率的双带隙能带结构的光子晶体原胞的结构；
[0024]结构参数确定单元，用于根据模拟出的光子晶体原胞的结构，得到结构参数。
[0025]可选地，所述结构参数调整模块，具体包括：
[0026]结构参数调整单元，用于通过遗传算法对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数。
[0027]可选地，所述光子晶体原胞确定模块，具体包括：
[0028]光子晶体原胞确定单元，用于对所述调整后的结构参数进行不同的修改，采用形状优化逆向设计方法得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。
[0029]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0030]本专利技术提供一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统。该方法包括：，打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构；根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数；如若所述拓扑相不符合要求，对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数；对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。本专利技术能够基于具有频率范围相关拓扑的带隙进行拓扑光子晶体的形状优化。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术基于拓扑光子晶体的形状优化方法流程图；
[0033]图2为应用差值函数构造原胞内结构示例示意图；
[0034]图3为初始情况的晶格及能带分布示意图；
[0035]图4为优化后的四种单元形状及对应的能带和电场的绝对值和功率流密度示意图；
[0036]图5为本专利技术基于拓扑光子晶体的形状优化系统结构图。
具体实施方式
[0037]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0038]本专利技术的目的是提供一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法及系统，能够基于具有频率范围相关拓扑的带隙进行拓扑光子晶体的形状优化。
[0039]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0040]图1为本专利技术基于拓扑光子晶体的形状优化方法流程图。如图1所示，一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法包括：
[0041]步骤101：打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构。
[0042]本专利技术利用一种具有双简并点的光子晶体原胞，并且对原胞的对称性进行破坏，使得简并点呈现分离，在简并点上下的能带呈现不同的能量极值，以此来实现边界态的效果。
[0043]最初的光子晶体的能带图是有双简并点，“简并点”简单来说就是“几个不同态具有一样的能量”。因为两个简并点无法传输能量，才需要对结构进行调整，调整后的能带结构不仅出现双带隙，而且满足特定需求的拓扑相(就是本专利技术中的顺时针，逆时针旋转的能流)，才能进行能量的传输。
[0044]为了建立两个不同频率范围的双带隙模型，采取一种完全不同的方法，将拓扑光子晶体的设计视为一个逆向的数值优化问题，即步骤102。
[0045]步骤102：根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑光子晶体的形状优化方法，其特征在于，包括：打开能带结构的双简并点，形成双带隙能带结构；根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数；如若所述拓扑相不符合要求，对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数；对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。2.根据权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的形状优化方法，其特征在于，所述根据所述双带隙能带结构，计算当前的能带结构，观察拓扑相是否符合要求，得到结构参数，具体包括：通过打破光子晶体内部结构的对称性，将谷陈数和所述双带隙能带结构的带隙进行组合作为目标函数的优值，自行模拟符合需求的具有不同频率的双带隙能带结构的光子晶体原胞的结构；根据模拟出的光子晶体原胞的结构，得到结构参数。3.根据权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的形状优化方法，其特征在于，所述对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数，具体包括：通过遗传算法对所述结构参数进行调整，得到调整后的结构参数。4.根据权利要求1所述的基于拓扑光子晶体的形状优化方法，其特征在于，所述对所述调整后的结构参数进行不同的修改，得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞，具体包括：对所述调整后的结构参数进行不同的修改，采用形状优化逆向设计方法得到四个不同拓扑相的光子晶体原胞。5.一种基于拓扑光子晶体的形状优化系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：方明，秦世龙，徐珂，肖志诚，冯建，刘晨冉，黄志祥，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：