[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于遺傳優(yōu)化的集成光子帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010112421.9
• 申請(qǐng)日: 2020-02-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111428340B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 路翠翠;袁弘毅;馬麗鳳;王慧琴;劉舟慧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06N3/12;H01P11/00
• 代理公司: 北京正陽(yáng)理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發(fā)明涉及一種基于遺傳優(yōu)化的集成光子帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，屬于微納光子學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域。利用物理場(chǎng)仿真軟件的模式分析模塊，采用等效折射率的方法將三維模型等效為二維模型，選定器件整體形狀和結(jié)構(gòu)單元形狀，用等距網(wǎng)格對(duì)器件整體劃分，進(jìn)行遺傳優(yōu)化操作，通過(guò)輸出的最佳結(jié)構(gòu)單元確定帶通濾波器的結(jié)構(gòu)。所述方法設(shè)計(jì)大大提升了設(shè)計(jì)效率，制造出的帶通濾波器與傳統(tǒng)的宏觀光學(xué)器件相比尺寸超小，集成度高；性能良好，線型優(yōu)，帶寬大，滾降范圍較小；指標(biāo)均滿足當(dāng)前微納加工的要求。所述方法的使用，可以使研究者更專(zhuān)注于器件的級(jí)聯(lián)應(yīng)用以及對(duì)器件內(nèi)在機(jī)制的探究，為未來(lái)光處理、光通訊的發(fā)展提供了備選方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于遺傳優(yōu)化的集成光子帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，屬于微納光子學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著包括5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的新型產(chǎn)業(yè)的興起，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于高速、低損耗的信息處理系統(tǒng)的需求與日俱增。傳統(tǒng)的電子器件受摩爾定律的限制，在儲(chǔ)存密度和運(yùn)算速度的突破上均面臨瓶頸，并且進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，電子器件不可無(wú)限制地進(jìn)行集成。器件的尺寸越小，量子效應(yīng)越明顯，集成的困難就越大。作為摩爾定律的延續(xù)，人們提出一種極具潛力的設(shè)計(jì)——光子芯片。相較于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片的巨大優(yōu)勢(shì)之一是光子之間無(wú)相互作用力，可以大大降低系統(tǒng)的功耗，增大信息傳輸?shù)膸挕Ｒ虼耍庾有酒梢栽跀?shù)據(jù)通信、高性能計(jì)算和傳感技術(shù)上有重要的應(yīng)用。目前大規(guī)模集成光子芯片尚處于探索階段，研究工作大多集中于對(duì)微小分立元器件的設(shè)計(jì)與制造上。

帶通濾波器是一種信號(hào)前端處理器件，是光子芯片集成的重要元器件之一。它可以有效抑制不需要波段的信號(hào)，僅允許目標(biāo)波段通過(guò)，這在信號(hào)處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，目前帶通濾波器在光子集成器件領(lǐng)域少見(jiàn)報(bào)道。傳統(tǒng)方法大多依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)以及物理啟發(fā)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，需要耗費(fèi)大量資源，器件的性能有局限性。相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用算法設(shè)計(jì)納米光子學(xué)器件具有普適性和高效性。通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化，可以有效提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化器件指標(biāo)，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)的情況，找到性能最優(yōu)的器件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)光子集成器件領(lǐng)域報(bào)道的帶通濾波器存在體積大，設(shè)計(jì)過(guò)程繁雜的技術(shù)缺陷，提供一種基于遺傳優(yōu)化的集成光子帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

所述基于遺傳優(yōu)化的可集成光子帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1、利用物理場(chǎng)仿真軟件的模式分析模塊，采用等效折射率的方法將三維模型等效為二維模型；

其中，物理場(chǎng)仿真軟件為COMSOL Multiphysics軟件；

步驟1操作的原因是為了縮短遺傳優(yōu)化的時(shí)間，減少基于三維模型的遺傳優(yōu)化對(duì)大量個(gè)體進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算量；

步驟2、基于二維模型選定器件整體的形狀和結(jié)構(gòu)單元的形狀，用等距網(wǎng)格劃分器件的整體區(qū)域，得到n×m個(gè)結(jié)構(gòu)單元；

其中，器件整體的形狀是凸多邊形，n×m個(gè)結(jié)構(gòu)單元，具體為：將整個(gè)器件的中心置于直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，在器件內(nèi)部作n-1條與橫軸平行的等距線，把器件整體沿橫向分割為等高的n份；再把器件沿縱向分割為等寬的m份，即生成n×m個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格稱(chēng)為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元；

步驟3、在步驟2中劃分的所有網(wǎng)格中取頂點(diǎn)全部處于器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單元作為二維模型優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)；

其中，結(jié)構(gòu)單元尺寸參數(shù)取可變范圍的最小值；

步驟3操作的原因是由于劃分的等距網(wǎng)格有些不在器件的內(nèi)部，有些只有部分在器件內(nèi)部，這會(huì)給后續(xù)優(yōu)化帶來(lái)困難，因此只對(duì)頂點(diǎn)全部均處于器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行設(shè)置；