基于空间编码的双层超构线片上光学半加器及设计方法与流程

本发明涉及光学器件，具体是基于空间编码的双层超构线片上光学半加器及设计方法。

背景技术：

1、随着光子集成电路、衍射光学计算和光学逻辑器件的发展，利用超构表面、衍射网络和硅基波导实现片上光场调控已成为光学计算的重要方向。现有光学半加器可通过两层衍射网络实现二输入、二输出逻辑运算，并利用输出区域的能量分布完成逻辑判决；也有部分片上光学逻辑器件采用相位编码方式，将不同逻辑状态映射为不同相位，并结合衍射结构或干涉结构实现逻辑计算。

2、然而，现有相位编码方案通常需要额外引入恒定参考偏置光束，并配置高精度相位调制器，导致硬件复杂度较高，对光源相干性和相位稳定性要求较强；同时，硅基波导中的相位易受热扰动和工艺误差影响，逻辑稳定性不足。部分器件在输出端仍依赖单一端口的绝对光强阈值进行判决，当光源功率波动或器件插入损耗增大时，弱光信号容易低于探测器阈值并造成误判。此外，采用粒子群算法等方式直接搜索多个物理参数时，优化维度受限、耗时较大，难以满足片上光逻辑器件高集成度和高精度设计需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于空间编码的双层超构线片上光学半加器及设计方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于空间编码的双层超构线片上光学半加器，所述片上光学半加器包括包层与硅导光层，所述包层包括上包层与下包层，所述硅导光层位于上包层与下包层之间；

4、在所述硅导光层中按照输入光的传播方向依次设置编码模块、第一超构线调制层、第二超构线调制层以及检测模块；

5、所述编码模块用于按照预设的空间编码关系将输入光转化为空间输入光场；

6、所述第一超构线调制层用于对空间输入光场施加一次相位延迟，形成第一相位调制光场；所述第一相位调制光场在第一超构线调制层与第二超构线调制层之间传播，形成层间衍射光场；

7、所述第二超构线调制层用于对所述层间衍射光场施加二次相位延迟，形成第二相位调制光场；

8、所述检测模块用于在检测区域内获取第二相位调制光场的空间强度分布，并根据所述空间强度分布输出半加器结果。

9、进一步地，所述上包层、硅导光层与下包层沿垂直于输入光的传播方向依次设置；

10、所述包层的折射率低于所述硅导光层的折射率，用于限制输入光在所述硅导光层中沿输入光的传播方向传输。

11、其中，由于硅导光层的折射率高于包层，输入光在硅导光层与包层的界面处会形成全内反射条件及导模约束，使光场主要以导模形式分布在高折射率的硅导光层内，而向上包层和下包层泄漏的光场仅表现为快速衰减的倏逝场；因此，低折射率包层相当于对硅导光层进行上下方向的光学隔离和能量约束，减少光向器件厚度方向扩散；

12、同时输入端、超构线调制层和检测端沿输入光的传播方向布置，硅导光层提供连续的传输路径，使被包层限制在硅导光层内的输入光能够沿该预设传播方向依次传输至各功能区域；

13、即包层通过折射率差限制光场留在硅导光层内，传播方向则由硅导光层中的光路布局和输入耦合方向共同确定。

14、进一步地，所述编码模块包括两个输入端口组，每个输入端口组中包括两个输入端口，每个输入端口组按照预设的空间编码关系对应一个逻辑变量，两个输入端口按照预设的空间编码关系分别对应该逻辑变量的不同逻辑状态；

15、编码模块按照输入逻辑状态和预设的空间编码关系选通对应的输入端口，输入光通过对应的输入端口形成代表不同入射位置的空间输入光场，并进入所述硅导光层中。

16、该片上光学半加器具有两个输入逻辑变量，每个逻辑变量均存在两种逻辑状态；当确定输入逻辑状态后，编码模块只需选通各输入端口组中与该逻辑状态对应的输入端口，输入光便会从对应的空间位置进入硅导光层；不同输入端口的位置不同，使进入硅导光层的光场具有不同的横向空间分布，该空间分布即为空间输入光场；

17、该片上光学半加器的逻辑信息不需要通过相位值或强度阈值表达，而是通过输入光的入射位置组合表达，便于后续超构线调制层根据不同入射位置形成不同的衍射传播和相位调制结果；

18、进一步地，第一超构线调制层与第二超构线调制层分别由若干垂直于输入光的传播方向排列的亚波长调制单元构成，所述亚波长调制单元包括第一亚波长调制单元以及第二亚波长调制单元；不同的亚波长调制单元具有不同的几何参数，每一种几何参数所对应的折射率与传播常数不同，用于分别对空间输入光场以及层间衍射光场施加一次相位延迟与二次相位延迟。

19、其中，超构线调制层本质上是一个沿横向分布的相位调制面；空间输入光场进入第一超构线调制层后，不同横向位置的光场分量分别经过对应的局部调制区域，各区域使光场产生不同的光程累积，因此空间输入光场的波前被重新赋予横向相位分布，形成第一相位调制光场；

20、该第一相位调制光场继续传播时，横向相位差会使不同光场分量产生衍射扩展，并在传播过程中相干叠加，进而形成同时具有强度重分布和相位重分布的层间衍射光场；

21、第二超构线调制层接收的已经不是原始输入光场，而是经过一次相位调制和层间传播后的层间衍射光场，因此第二超构线调制层对该层间衍射光场施加二次相位延迟，使其继续向预定输出空间分布演化，形成第二相位调制光场；

22、亚波长调制单元的横向尺寸处于亚波长尺度或接近输入光波长尺度，可作为局部等效介质单元对通过该位置的光场进行局域调制；不同亚波长调制单元具有不同的槽长、槽宽、间距分布时，会改变该局部区域内的有效折射率和传播常数；传播常数决定光场在该局部区域内单位传播距离所累积的相位，因此不同几何参数会使不同横向位置的光场分量获得不同相位延迟；

23、第一超构线调制层中的第一亚波长调制单元用于对空间输入光场施加一次相位延迟，第二超构线调制层中的第二亚波长调制单元用于对层间衍射光场施加二次相位延迟，两层调制共同完成输入光场到输出光场的空间变换；

24、进一步地，所述检测模块包括两个检测区域组，每个检测区域组中包括两个检测区域，每个检测区域组按照预设的空间编码关系对应一个逻辑变量，两个检测区域按照预设的空间编码关系分别对应该逻辑变量的不同逻辑状态；

25、获取第二相位调制光场在不同检测区域中的空间强度分布，并根据所述空间强度分布计算检测区域的能量积分，将同一检测区域组内能量积分较大的检测区域所对应的逻辑状态作为该检测区域组所对应的逻辑变量的逻辑状态，并将该检测区域组所对应的逻辑变量的逻辑状态作为半加器结果输出。

26、其中，片上光学半加器具有两个输出逻辑变量，每个输出逻辑变量均存在两种逻辑状态，因此检测模块采用两个检测区域组分别承接两个输出逻辑变量，并在每个检测区域组中设置两个检测区域分别对应该逻辑变量的不同逻辑状态；

27、第二相位调制光场到达检测端后，不同输出逻辑变量的判决被分配到不同检测区域组内完成，同一逻辑变量的不同状态则通过同组内两个检测区域进行区分，使输出逻辑状态能够由光场在不同空间区域中的能量分布表达；

28、第二相位调制光场到达检测模块后会在检测区域内形成连续的空间强度分布，检测模块需要将该空间强度分布转换为可比较的标量数据，因此对每个检测区域内的光强进行积分，得到对应检测区域的能量积分值；

29、对同一检测区域组而言，两个检测区域分别代表同一逻辑变量的两种状态，能量积分较大的检测区域表示第二相位调制光场在该状态对应区域内聚集更多能量，因此将该检测区域对应的逻辑状态作为该检测区域组对应逻辑变量的输出状态。

30、基于空间编码的双层超构线片上光学半加器设计方法，所述设计方法包括：

31、步骤s1、预设空间编码关系，所述空间编码关系包括将两个输入端口组与两个检测区域组分别对应四个逻辑变量，将每个输入端口组中的两个输入端口分别对应逻辑变量的逻辑状态0与逻辑状态1，并将每个检测区域组中的两个检测区域分别对应逻辑变量的逻辑状态0与逻辑状态1；

32、步骤s2、分别按照输入光的传播方向根据编码模块、第一超构线调制层、第二超构线调制层以及检测模块之间的传播过程构建衍射传播算子，并根据所述衍射传播算子构建前向传播模型；将输入光数据以及第一超构线调制层、第二超构线调制层的相位变量数据输入所述前向传播模型，得到预测输出光场数据；

33、步骤s3、根据预测输出光场数据得到预测空间强度分布数据，对预测空间强度分布数据进行损失运算，得到优化损失数据；根据优化损失数据计算相位变量数据的梯度，并通过adam优化算法更新相位变量数据，得到更新后的相位变量数据；

34、步骤s4、根据预设的映射库将更新后的相位变量数据与亚波长调制单元的几何参数进行映射，得到实际几何参数，所述实际几何参数用于完成片上光学半加器的设计。

35、进一步地，所述相位变量数据用于代表对空间输入光场以及层间衍射光场施加的一次相位延迟与二次相位延迟；

36、在所述预设的映射库中，相位变量数据与几何参数的映射关系包括：

37、；

38、其中p代表目标几何参数，t（p）代表亚波长调制单元的目标几何参数p对应的透射复振幅，|t（p）|代表亚波长调制单元的目标几何参数p对应的透射振幅，φ（p）代表目标几何参数p对应的相位变量数据，j为虚数单位；

39、所述几何参数包括输入光的波长、硅导光层厚度、亚波长调制单元的槽长度、槽宽度、不同亚波长调制单元之间的间距；当除目标几何参数以外的其他几何参数的数值固定时，目标几何参数与相位变量数据满足所述映射关系。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、1、本发明通过预设空间编码关系，将输入端口组和检测区域组分别对应逻辑变量及其逻辑状态，使输入光数据能够转换为明确的空间输入光场，并使预测空间强度分布数据能够对应到目标检测区域，避免依赖单一绝对光强阈值，提高逻辑读出稳定性。

42、2、本发明通过按照输入光的传播方向构建衍射传播算子，并由衍射传播算子构建前向传播模型，使输入光数据和相位变量数据能够在同一传播模型中进行计算，得到预测输出光场数据和预测空间强度分布数据，提高双层超构线相位设计的可计算性。

43、3、本发明通过对预测空间强度分布数据进行损失运算得到优化损失数据，根据优化损失数据计算相位变量数据的梯度，并通过adam优化算法更新相位变量数据，再利用预设映射库得到实际几何参数，提高几何参数确定效率和设计结果一致性。