[发明专利]基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法

权利要求书

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)利用所述信号光源(3)向所述平板光波导(1)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；

(S2)将所述相变材料层(2)划分为多个网格；

(S3)利用所述光调控模块对所述相变材料层(2)中不同网格处的相变材料的状态进行调控；

(S4)利用所述光电探测模块(7)探测所述所述平板光波导(1)中指定的输出端口输出的光信号的光功率，得到所述芯片的光学响应，并记录当前的网格调控策略及相应的光学响应；

(S5)迭代执行(S3)～(S4)，直至所述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；

(S6)将使得所述芯片的光学响应最近所述设计目标的网格调控策略确定为目标调控策略，并将按照所述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。

7.如权利要求6所述的逆向设计方法，其特征在于，所述步骤(S5)还包括：

若迭代次数达到预设的最大迭代次数时，所述芯片的光学响应不满足所述设计目标，则调整所述相变材料层(2)的网格划分方案后，转入步骤(S2)，重新开始迭代。

8.如权利要求6或7所述的逆向设计方法，其特征在于，所述步骤(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，所述晶化度公式为：

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。

9.如权利要求8所述的逆向设计方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，通过随机梯度下降算法优化每个网格的相变材料状态。