一种基于逆向设计机制的光子集成芯片设计方法和芯片

本发明涉及光子集成芯片领域，尤其是涉及一种基于逆向设计机制的光子集成芯片设计方法和芯片。

背景技术：

1、近年来，人工智能、5g/6g通信、高性能计算等领域快速发展，用户对芯片的算力密度、功耗控制、传输带宽等指标提出更高要求。广泛应用的硅基电子芯片基于电信号传输与处理进行计算。这种芯片架构目前面临着摩尔定律接近物理极限的严峻挑战：纳米级制程工艺下，漏电流、rc延迟、热噪声等问题一方面导致芯片功耗呈指数级增长，另一方面制约了算力密度和传输带宽的提升，难以满足下一代高性能计算场景的需求。

2、硅基光子芯片融合硅基集成电路和光子学等领域的技术，具有光信号传输速度快、抗干扰能力强、功耗低等优势，是突破硅基电子芯片性能瓶颈的重要方向之一。这种芯片架构的核心方法是在硅基平台上集成光发射、传输、调制、探测等光子元件和微纳结构，实现光信号、电信号的高速转换和处理，有望解决硅基电子芯片在高频、大带宽等场景下的算力问题、能耗问题和传输问题。

3、然而，现有硅基光子芯片大多使用大规模级联的马赫-曾德干涉仪架构，该结构无法在小面积硅基平台上实现高密度集成，且大多数情况下传输损耗不可控。其中，reck网格架构的级联特性会导致相位误差累积，多级传递鲁棒性差；优化后的clements架构尽管在损耗控制上略有提升，但其光场调控范围受制于网格的固定拓扑，难以通过调控多维度光场特征实现以代数运算为例的复杂任务。在代数运算场景下，上述架构均依赖于经验式设计，且物理特性大大限制了其执行代数运算的能力。因此，亟需提出一种更加高效且集成度更高的硅基光子芯片设计方法，以执行代数运算等复杂任务。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种更加高效且集成度更高的基于逆向设计机制的光子集成芯片设计方法和芯片，能够在小面积的硅基平台上以尽可能少的迭代次数实现可执行复杂代数运算的光子集成芯片设计，同时该光子集成芯片具有低功耗、集成化、鲁棒性高、通用性强的优点。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于逆向设计机制的光子集成芯片设计方法，包括：

4、s1：构建包含多层平面波导结构的光子集成芯片，首层平面波导结构基于双光波导对输入比特进行编码，将有限域中的数值映射关系转化为首层输入波导和末层输出波导之间的光强分布映射关系；每层平面波导结构均分解为多个离散的有限元；

5、s2：从所述光子集成芯片中选取前

k层的平面波导结构，在第

k层平面波导结构中选取

n个输出波导，赋予输出比特数据作为光强积分目标值；

6、s3：对前

k层平面波导结构的相对介电常数进行投影处理；

7、s4：采用频域有限差分方法求解前

k层平面波导结构中投影后的电场强度分布；

8、s5：采用逆向设计方法，根据求取的电场强度分布，计算各层平面波导结构的输出波导的区域光强积分，与所述光强积分目标值对比，求解前

k层平面波导结构中各层的有限元在下一轮迭代中的相对介电常数；

9、s6：重复执行步骤s3-s5，判断光子集成芯片输出结果的准确率是否达到饱和，若是，则执行步骤s7；

10、s7：在

k层平面波导结构后面增加1层平面波导结构，并重复执行步骤s2-s6，直至达到平面波导结构的最大层数，获得最终的光子集成芯片设计结果。

11、进一步的，每层平面波导结构的两侧均分别设有输入区域和输出区域，所述输入区域内设有多个输入波导，所述输出区域内设有多个输出波导；

12、每层平面波导结构均为独立的非周期光子结构。

13、进一步的，所述第

k层平面波导结构中的第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的相对介电常数取值表达式为：

14、

15、式中，为第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的相对介电常数，为相对介电常数的下界，为相对介电常数的上界，为第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的密度函数；

16、按照均匀分布或随机分布的形式赋予初值，从而赋予初值。

17、进一步的，所述光子集成芯片的第1层平面波导结构的输入区域，依据输入比特的比特数

n，被划分为

n个输入子区域；每个所述输入子区域均设有2个所述输入波导，即所述双光波导；在其中任意一个输入子区域中，根据输入比特在对应位置比特位的取值0或1，赋予2个输入波导的光强取值为0/1或1/0；

18、所述光子集成芯片的第2~

k层平面波导结构的输入波导数量和上一层的输出波导数量相同，任意一个输入波导的光强取值是上一层对应输出波导的光强积分的归一化函数激活值；

19、所述光子集成芯片的第1~(

k-1)层平面波导结构的输出区域中的输出波导数量可调；

20、所述光子集成芯片的第

k层平面波导结构的

n个输出波导中，对任意一个输出波导进行光强积分，根据光强积分的归一化函数激活值确定对应的输出比特的取值为0或1。

21、进一步的，所述频域有限差分方法包括：

22、构建电场强度在

x、

y、

z方向分量、、的电场强度方程组，该所述电场强度方程组的表达式为：

23、

24、式中，、、是第

k层平面波导结构在第

t轮迭代中的源强度

x、

y、

z方向的分量，、、是平面波导结构离散化后

x、

y、

z方向的网格尺寸，

ω是光波的角频率，

μ是磁导率，

γ是传播常数，第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的

γ2表示为：

25、

26、式中，

σ是电导率；（

mn×

mn）是的对角矩阵，为第

k层平面波导结构中的第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的相对介电常数取值，（

mn×

mn）、（

mn×

mn）、（

mn×

mn）用张量积表示为：

27、

28、式中，

i

m（

m×

m）、

i

n（

n×

n）、

i1（1×1）是单位矩阵，拉普拉斯矩阵

l

m、

l

n、

l1中第

i行第

j列的元素

l

ij满足：

29、

30、电场强度方程组式中，（

mn×1）、（

mn×1）、（

mn×1）是第

k层平面波导结构在第

t轮迭代中的电场强度的

x、

y、

z方向分量、、的向量，（

mn×1）、（

mn×1）、（

mn×1）是第

k层平面波导结构在第

t轮迭代中的源强度的

x、

y、

z方向分量、、的向量；

31、代入待求层平面波导结构的已知参数

ω、

μ、

σ、、、、、、、，求解得到第

k层平面波导结构在第

t轮迭代中的电场强度，。

32、进一步的，所述逆向设计方法包括：

33、s51：根据求取的第

k层平面波导结构在第

t轮迭代中的电场强度分布，计算对应的平面波导结构的输出波导的区域光强积分，其中，

a为输出波导的编号；

34、s52：使用归一化函数对计算出的区域光强积分进行归一化，再使用激活函数进行激活，得到归一化函数激活值，作为下一层平面波导结构的输入光强，以返回步骤s51计算下一层平面波导结构在第

t轮迭代中的区域光强积分的归一化函数激活值，直至获取第

k层平面波导结构的区域光强积分的归一化函数激活值；

35、s53：计算第

k层平面波导结构的光强积分目标值与所述归一化函数激活值的二元交叉熵；

36、s54：使用链式法则，根据所述二元交叉熵，递归地计算第

k层平面波导结构中，第

a个输入波导在第

t轮迭代中的输入光强的局部梯度；

37、s55：使用链式法则，根据输入光强的局部梯度计算第

k层平面波导结构中，第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的密度函数的局部梯度；

38、s56：根据密度函数的局部梯度，逐层计算各层平面波导结构中，第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中密度函数的修正量；

39、s57：根据密度函数的修正量逐层更新平面波导结构中，第

i行第

j列的有限元在第(

t+1)轮迭代中的密度函数以及相对介电常数。

40、进一步的，所述区域光强积分的计算表达式为：

41、

42、式中，

o

a代表第

a个输出波导；

43、所述归一化函数激活值的计算表达式为：

44、

45、式中，为归一化函数，为激活函数；

46、所述二元交叉熵的计算表达式为：

47、

48、式中，为输出比特数，和选取的输出波导数量相等，

a为输出波导的编号，

q为实例的编号；

49、所述输入光强的局部梯度的计算表达式为：

50、

51、

52、式中，为第k层平面波导结构在第

t轮迭代中的源强度，为第

k层平面波导结构的区域光强积分的归一化函数激活值；

53、所述密度函数的局部梯度的计算表达式为：

54、

55、式中，为的对角矩阵，为第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中传播常数的平方，为第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的密度函数；

56、所述密度函数的修正量的计算表达式为：

57、

58、式中，

η是学习率，是adam优化器；

59、所述密度函数和相对介电常数的计算表达式为：

60、

61、

62、式中，为相对介电常数的下界，为相对介电常数的上界。

63、进一步的，步骤s2中选取的多个输出波导中，每一个输出波导的光强积分的归一化函数激活值分别独立满足如下条件：

64、

65、式中，

q是所述数值映射关系的实例索引编号，是第

k层平面波导结构、第

t轮迭代、第

a个输出波导、第

q个实例的光强积分值的归一化函数激活值，是光强积分目标值对应的实例构成的集合，定义为：

66、

67、若每一个输出波导的光强积分的归一化函数激活值均满足以上条件，或者相邻多次迭代结果中光子集成芯片输出结果的准确率达到预设的准确阈值，则判断光子集成芯片输出结果的准确率达到饱和。

68、进一步的，对相对介电常数进行投影处理的计算表达式为：

69、

70、

71、式中，为第

k层平面波导结构第

i行第

j列的有限元在第

t轮迭代中的密度函数，为二值化中心参数，为二值化程度参数，在迭代训练中取值逐步增大，为投影函数，为相对介电常数的下界，为相对介电常数的上界，为投影函数处理后的相对介电常数。

72、本发明还提供一种光子集成芯片，所述光子集成芯片采用如上所述的一种基于逆向设计机制的光子集成芯片设计方法进行设计。

73、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

74、（1）本发明提出平面波导结构，通过在若干层平面波导结构中使用双光波导对输入比特进行编码，将有限域中的数值映射关系转化为首层输入波导和末层输出波导之间的光强分布映射关系，进而获得可进行迭代优化的硅基芯片结构；通过频域有限差分方法，基于相对介电常数分布，求解电磁场强度分布，进而获得平面波导结构中的电场强度分布，通过所提出的逆向设计方法，进而获得平面波导结构的相对介电常数分布，通过所提出的分步式残差训练方法进行多阶段迭代训练，进而引导优化过程更快收敛到有效解附近；通过不断迭代优化，最终得到可进行低功耗代数运算的光子集成芯片；

75、本发明的频域有限差分方法使平面波导结构中的电场分布可通过较低的时间复杂度求解，从而加快了迭代优化过程，本发明的逆向设计方法使平面波导结构中的相对介电常数数值梯度能通过可解析的数学计算得到，从而提升所设计光子集成芯片的多维度参数可优化性，本发明提出的分步式残差训练方法改进了光子集成芯片的迭代优化过程，改善了优化的收敛能力，能更好更快地设计出可执行低功耗代数运算的光子集成芯片。

76、（2）本发明能够在尽可能简单的设计流程下，在小面积的硅基平台上实现可执行复杂代数运算的光子集成芯片设计。与现有技术相比，本发明具有低功耗、集成化、鲁棒性高、通用性强的优点。