[發明專利]一種超小型太赫茲波分復用器的快速設計方法

在審

• 申請號: 202011362309.7
• 申請日: 2020-11-28
• 公開（公告）號: CN112287567A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 王向峰;戴圳镕;陳燕青;黃峰
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 丘鴻超;蔡學俊

本發明涉及一種超小型太赫茲波分復用器的快速設計方法，包括以下步驟：S1、構建太赫茲波分復用器的初始結構，設定設計參數及目標函數；S2、利用麥克斯韋方程組根據目標函數的電場分布逆向求解出其介電常數分布，并對其進行連續優化；S3、對優化后連續變化的介電常數進行離散化處理，得到只有硅和空氣兩種介電常數，并進行離散后優化；S4、生成并導出GDS格式的太赫茲波分復用器的結構文件，用于后續的加工制造。該方法有利于提高設計效率，縮短設計周期。

技術領域

本發明屬于太赫茲器件領域，具體涉及一種超小型太赫茲波分復用器的快速設計方法。

背景技術

太赫茲技術在傳感、成像和通信等領域有著廣闊的應用前景，這些應用不僅需要高效的太赫茲波源和靈敏的太赫茲波探測器，而且需要高性能的太赫茲功能器件，如濾波器、調制器、偏振器和波分復用器等。但現有的太赫茲功能器件普遍存在設計周期長及面積大等缺點，不利于太赫茲技術的系統集成和廣泛應用。

太赫茲波分復用器是一種能夠將各個不同頻率/波長的太赫茲信號分開的功能器件，能夠有效的擴展傳輸容量，是太赫茲通信網絡的重要組成部分之一。目前的太赫茲波分復用器主要是基于二維光子晶體波導進行設計，光子晶體是指具有光子帶隙的人造周期性電介質結構，頻率處于光子帶隙范圍內時，所有模式的電磁波（如太赫茲波）都不能在其中傳播。利用這一特性可以將電磁波限制在設計的缺陷中，且被限制電磁波的頻率和光子晶體的單元尺寸存在比例關系，整體結構尺寸相對固定，難以通過優化方式對其尺寸進一步縮小。并且基于二維光子晶體設計的波導的太赫茲波分復用器時，通常利用平面波展開法求解其光子帶隙，其次通過迭代方式對其性能進行優化，最終得到整個器件結構，整個設計周期較長。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超小型太赫茲波分復用器的快速設計方法，該方法有利于提高設計效率，縮短設計周期。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種超小型太赫茲波分復用器的快速設計方法，包括以下步驟：

S1、構建太赫茲波分復用器的初始結構，設定設計參數及目標函數；

S2、利用麥克斯韋方程組根據目標函數的電場分布逆向求解出其介電常數分布，并對其進行連續優化；

S3、對優化后連續變化的介電常數進行離散化處理，得到只有硅和空氣兩種介電常數，并進行離散后優化；

S4、生成并導出GDS格式的太赫茲波分復用器的結構文件，用于后續的加工制造。

進一步地，所述步驟S1中，設置初始結構的介電常數，其中輸入輸出端口的介電常數為硅的介電常數，中間耦合區域的介電常數為硅的介電常數的二分之一。

進一步地，所述步驟S1中，所述目標函數設定為N個輸出端口能量實際值與理想值的均方差之和。

進一步地，所述步驟S2中，使用交替方向乘子算法與最速下降法對求解出的介電常數分布進行連續優化。

進一步地，所述太赫茲波分復用器采用的材料為高阻硅或其他對太赫茲損耗小于設定值的材料。

進一步地，所述方法還可以應用于其他太赫茲波功能器件的二維結構設計，包括太赫茲濾波器和太赫茲功率分配器。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、該方法具有更高效的設計效率，只需要輸入結構尺寸參數和所要分離的N個太赫茲頻率，就可以通過逆向計算和優化得到所需的目標器件結構，整個優化方向是以目標函數變化的梯度信息進行判斷，能夠更有目的性地找到結構調整方向，相比與以往的通過理論模板庫中選取器件模板并隨機調整參數的傳統設計方法更加高效。