【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太赫兹器件设计，具体涉及一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法。
技术介绍
1、太赫兹(terahertz，thz)波一般是指0.1-10 thz频率范围内的电磁波，对应的波长为0.03-3 mm，是从毫米波向红外光过渡的电磁波谱区域。太赫兹波具有良好的穿透性、低能性和宽带性，在高速空间通信、环境监测、外差探测、医学探测、无损检测和国防安全等领域具有重要的应用前景。随着太赫兹集成系统上器件数目不断增加，连接这些器件的交叉数量点也随之增加，当一个波导于另一个波导相交，会产生一个没有横向模式限制的区域，这将导致波导的突然展宽，并且由于相交波导的导模耦合，波导的展宽将会引起辐射模的激发和串扰的损耗。
2、对于光波导来说，在大规模集成中，光波导的交点可以多达数百个。为了解决和提高波导的交叉性能，提出了各种方案，包括优化交叉角，绝热模式扩展器，超材料，模场转换，波前匹配，桥式结构，谐振器等。目前的波导交叉连接器主要是基于光子晶体谐振器中的腔增强耦合或者利用多模干涉结构与微环谐振器进行设计。其中利用光子晶体谐振器对交叉结构进行设计的方法要求严格的周期性和过小的特征尺寸，因此容易产生制造缺陷。而利用多模干涉结构与微环谐振器所设计出的波导交叉结构占地面积较大且带宽较窄，在设计和制造过程中需要复杂的优化过程。尽管波导交叉问题有多种解决方案，但主要集中在光学介质波导上，对太赫兹波导交叉方面研究较少。且传统设计方案主要集中在2×2的波导交叉器连接器方面。设计复杂，周期较长。
技术实现思路
1、针对现有的技术问题，本专利技术提供了一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，解决了现有的太赫兹交叉连接器设计周期长的问题，同时设计出的器件体积更小。
2、该设计方法将n个空间交叠且需要分别传输的太赫兹频率/波长作为输入参数，通过逆向设计目标优先式算法计算，最终得到适合于指定频率/波长太赫兹的高度集成式太赫兹交叉连接器。本方法具有设计效率高、设计成本低及设计结果体积小等优点。
3、该方法设计的交叉连接器由n个输入端口、n个输出端口及中间的耦合区域组成。该设计方法具体实施步骤为：（1）设定交叉连接器初始结构尺寸和基底材料及端口数目，其中设定输入端口和输出端口数目均为n；（2）设定表示交叉连接器性能的目标函数，并将交叉连接器的初始结构导入电磁场仿真软件中进行仿真，获得交叉连接器初始结构的目标函数值；（3）利用目标优先式算法对耦合区域的结构进行优化；（4）得到高性能的太赫兹交叉连接器。本专利技术设计的太赫兹交叉连接器相比于传统的太赫兹连接器拥有更小的体积和更高的集成度等优势，且设计的效率更高。
4、本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：
5、一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于，作为设计目标的太赫兹交叉连接器由n个输入端口、n个输出端口及中间的耦合区域组成；通过设定交叉连接器初始结构尺寸和基底材料及端口数目，其中设定输入端口和输出端口数目均为n，以及设定表示交叉连接器性能的目标函数；将交叉连接器的初始结构导入电磁场仿真软件中进行仿真，获得交叉连接器初始结构的目标函数值；利用目标优先式算法对耦合区域的结构进行优化，以得到高性能的太赫兹交叉连接器。
6、进一步地，所述目标优先式算法通过利用伴随算法求解目标函数关于结构和电场的梯度信息，从而得出最佳的结构优化方向；目标优先式算法首先使器件满足目标电场分布，然后使用算法优化其长生的物理残余并生成最优解的结构。
7、进一步地，在设计的过程中，根据器件所需实现的功能定义其目标函数，设置为单点或多点频率的透射率与1的差异的平方和；
8、在优化开始前，需要进行器件结构及模型参数初始化，通过定义器件的初始结构及待优化的区域，并赋予材料介电常数值；在模拟过程当中将波导模式光源及监视器分别放置在输入波导及输出波导上，并与边界层保持有距离；
9、然后，迭代优化结构：首先是连续优化，将中间耦合区域的材料介电常数设置为硅和空气之间的连续变化，随后将其优化至尽量符合目标电场的结构参数，当优化到一定迭代次数后再进行宽带优化，即材料介电常数不但在某一频率满足其性能，还在该频率点附近满足要求；
10、最后，二值化器件结构，完成迭代优化后，器件结构的介电常数呈连续变化，需要进行离散化处理使其能够被加工；为了使器件性能不显著下降，采用水平集方法进行离散化。
11、进一步地，所述太赫兹交叉连接器由包括n个输入端口、n个输出端口和设置在n个输入端口和n个输出端之间的正方形耦合区域。
12、进一步地，目标函数的设置如下：
13、
14、其中t1、t2、...、tn分别代表太赫兹波从输入口端口1到输入口端口n在输出端口1至输出端口n的透射率，目标函数值越小代表不同输入端口的太赫兹波在对应端口的透射率越高，即该器件性能越好。
15、进一步地，设置器件的介质为硅和空气，器件衬底的介质为二氧化硅。
16、进一步地，输入光源放置在输入波导上距离中心耦合区域边缘1mm处，光源为te偏振光，输入输出的波导宽度为400um，高度为200um。
17、进一步地，采用目标优先式算法的逆向设计实现；目标优化算法通过利用伴随算法求解目标函数关于结构和电场的梯度信息，从而得出最佳的结构优化方向；目标优先式算法首先使器件满足目标电场分布，然后使用算法优化其长生的物理残余并生成最优解的结构。
18、相比于现有技术，本专利技术及其优选方案具有以下有益效果：
19、1、本专利技术公开的设计方法具备更高效的设计效率。本专利技术公开的太赫兹交叉连接器采用与逆向设计目标优先式算法优化相结合的设计方案，只需要输入结构尺寸参数并设定n个输入端口和n个输出端口，之后该方法便可以进行自动化优化设计，程序优化完成后即可生成所需的目标器件结构，整个优化方向是以目标函数变化的梯度信息进行判断，能够更有目的性地找到结构调整方向。
20、2、本专利技术公开的设计方法能够探索设计区域中的所有可能性，因此能够找到面积更小且能实现相对应功能的结构，所设计的太赫兹交叉连接器面积仅为3 mm×3 mm，实际耦合区域仅为2 mm×2 mm，并且器件单口段面积仅为1.125 mm2/port，能够集成到太赫兹系统当中，对将来的太赫兹系统小型化具有重要意义。
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1.一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于，作为设计目标的太赫兹交叉连接器由N个输入端口、N个输出端口及中间的耦合区域组成；通过设定交叉连接器初始结构尺寸和基底材料及端口数目，其中设定输入端口和输出端口数目均为N，以及设定表示交叉连接器性能的目标函数；将交叉连接器的初始结构导入电磁场仿真软件中进行仿真，获得交叉连接器初始结构的目标函数值；利用目标优先式算法对耦合区域的结构进行优化，以得到高性能的太赫兹交叉连接器。
2.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：所述目标优先式算法通过利用伴随算法求解目标函数关于结构和电场的梯度信息，从而得出最佳的结构优化方向；目标优先式算法首先使器件满足目标电场分布，然后使用算法优化其长生的物理残余并生成最优解的结构。
3.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：所述太赫兹交叉连接器由包括N个输入端口、N个输出端口和设置在N个输入端口和N个输出端之间的正方
5.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：
6.根据权利要求3所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：设置器件的介质为硅和空气，器件衬底的介质为二氧化硅。
7.根据权利要求3所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：输入光源放置在输入波导上距离中心耦合区域边缘1mm处，光源为TE偏振光，输入输出的波导宽度为400um，高度为200um。
8.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：采用目标优先式算法的逆向设计实现；目标优化算法通过利用伴随算法求解目标函数关于结构和电场的梯度信息，从而得出最佳的结构优化方向；目标优先式算法首先使器件满足目标电场分布，然后使用算法优化其长生的物理残余并生成最优解的结构。
...【技术特征摘要】
1.一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于，作为设计目标的太赫兹交叉连接器由n个输入端口、n个输出端口及中间的耦合区域组成；通过设定交叉连接器初始结构尺寸和基底材料及端口数目，其中设定输入端口和输出端口数目均为n，以及设定表示交叉连接器性能的目标函数；将交叉连接器的初始结构导入电磁场仿真软件中进行仿真，获得交叉连接器初始结构的目标函数值；利用目标优先式算法对耦合区域的结构进行优化，以得到高性能的太赫兹交叉连接器。
2.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：所述目标优先式算法通过利用伴随算法求解目标函数关于结构和电场的梯度信息，从而得出最佳的结构优化方向；目标优先式算法首先使器件满足目标电场分布，然后使用算法优化其长生的物理残余并生成最优解的结构。
3.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种高度集成式太赫兹交叉连接器的设计方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：王向峰，李淑锦，王宁，邱晨展，黄峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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