[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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明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。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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；

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；

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；

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。