[發(fā)明專利]一種基于梯度下降算法的全光開關(guān)及其實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110295858.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-19
• 公開（公告）號(hào): CN112987446B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡小永;龔旗煌;齊慧欣;杜卓晨;牛欣翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G02F1/35
• 分類號(hào): G02F1/35
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發(fā)明公開了一種基于梯度下降算法的全光開關(guān)及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明在梯度下降算法中引入了非線性的計(jì)算方法，利用三階非線性光學(xué)克爾效應(yīng)，通過信號(hào)光激發(fā)材料的三階非線性光學(xué)響應(yīng)來改變納微光子結(jié)構(gòu)材料的介電分布情況，在信號(hào)光作用下非線性材料折射率與強(qiáng)度有關(guān)，基于梯度下降算法的反向設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)的光子器件提供了一個(gè)通用的平臺(tái)，利于實(shí)現(xiàn)納米光子器件的設(shè)計(jì)與集成；而非線性算法的引入有利于更復(fù)雜功能器件的設(shè)計(jì)，拓寬了器件設(shè)計(jì)的思路，豐富了器件設(shè)計(jì)的功能；工藝優(yōu)化算法的引入大大降低了器件優(yōu)化的效率；基于反向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的全光集成器件在先進(jìn)光子電路、全光信息處理、光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光子集成回路技術(shù)，具體涉及一種基于梯度下降算法的全光開關(guān)及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于時(shí)域有限差分法(FDTD)、有限元方法等求解麥克斯韋方程組，但是使用這些方法設(shè)計(jì)光學(xué)微納結(jié)構(gòu)通常涉及一個(gè)漫長的過程，特別是在二維或三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，都是通過手動(dòng)調(diào)整參數(shù)(例如波導(dǎo)的寬度、空氣孔和微環(huán)的尺寸)來設(shè)計(jì)的，并通過反復(fù)計(jì)算來優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。反向設(shè)計(jì)方法更適用于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題，它是一種基于期望的功能特征計(jì)算未知光學(xué)結(jié)構(gòu)或優(yōu)化已知結(jié)構(gòu)的算法技術(shù)。人們指定期望的電磁場(chǎng)分布或器件功能等其他特性，然后通過算法讓計(jì)算機(jī)找到滿足這些要求的介電結(jié)構(gòu)，這是一種更直觀和計(jì)算效率更高的設(shè)計(jì)策略。例如，定義已知器件內(nèi)部電磁場(chǎng)分布，但周圍結(jié)構(gòu)未知，需要達(dá)到的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生已知電磁場(chǎng)分布的介電結(jié)構(gòu)分布，即可以通過計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。反向設(shè)計(jì)過程中常采用一些“智能算法”，比如模擬退火算法，遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，梯度下降算法等，通常解決一些最優(yōu)化問題來達(dá)到反向設(shè)計(jì)的目的。

目前，人們已經(jīng)基于反向設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)出許多性能優(yōu)越的器件，例如波長分束器、功率分配器、解復(fù)用光柵、邏輯門等。Alexander等人利用凸優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了一種硅基波分復(fù)用器，器件結(jié)構(gòu)尺寸為2.8μm×2.8μm，它可以將一個(gè)輸入波導(dǎo)中的1300nm和1550nm的光分成為兩個(gè)波導(dǎo)輸出。Tahersima等人使用深度學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)人工設(shè)計(jì)的納米光子器件的光學(xué)響應(yīng)，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)可以在幾分之一秒內(nèi)設(shè)計(jì)出2.6μm×2.6μm基于絕緣體上硅(SOI)的1×2功率分離器。Alexander等人用反向設(shè)計(jì)的方法演示一個(gè)新的解復(fù)用光柵,這種新型的光柵沒有使用傳統(tǒng)的技術(shù)，它從自由空間接收垂直入射的高斯光束，并將o波段(1300nm)和c波段(1550nm)的光分離成單獨(dú)的波導(dǎo)。

然而，現(xiàn)有算法中主要基于線性光學(xué)的原理，利用光的干涉疊加與散射等原理實(shí)現(xiàn)器件功能，局限于符合線性疊加原理可實(shí)現(xiàn)的器件。然而，光開關(guān)，調(diào)制器、多功能器件等器件的實(shí)現(xiàn)需要引入非線性等因素，因此現(xiàn)有的反向算法還不能用來設(shè)計(jì)這類器件。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于梯度下降算法的全光開關(guān)及其實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于梯度下降算法的全光開關(guān)。

本發(fā)明的基于梯度下降算法的全光開關(guān)包括：入射波導(dǎo)、光傳輸器件、出射波導(dǎo)和信號(hào)光；入射波導(dǎo)經(jīng)光傳輸器件連接至出射波導(dǎo)；光傳輸器件的二維截面被分割成M×N個(gè)正方形的基本單元，在梯度下降算法中引入非線性算法，計(jì)算得到每個(gè)基本單元的折射率，各個(gè)基本單元的折射率的值離散化成一個(gè)實(shí)際的非線性材料對(duì)應(yīng)的折射率的值和一個(gè)實(shí)際的線性材料對(duì)應(yīng)的折射率的值，從而相應(yīng)的基本單元采用與計(jì)算得到的折射率的值相對(duì)應(yīng)的非線性材料和線性材料；信號(hào)光從入射波導(dǎo)至光傳輸器件，當(dāng)信號(hào)光的強(qiáng)度不足以改變非線性材料的折射率時(shí)，信號(hào)光經(jīng)過光傳輸器件傳輸至輸出波導(dǎo)輸出，實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)的打開；非線性材料具有三階非線性系數(shù)，基于三階非線性光學(xué)克爾效應(yīng)，當(dāng)增加信號(hào)光的光強(qiáng)，使得非線性材料的折射率發(fā)生改變時(shí)，信號(hào)光不能通過光傳輸器件傳輸至出射波導(dǎo)輸出，從而實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)的斷開。

光傳輸器件的下表面設(shè)置襯底層，上表面為空氣層。襯底層的材料采用二氧化硅、二氧化鈦和石英玻璃中的一種。