基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法

1.本发明属于集成光子器件设计领域，更具体地，涉及一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法。


背景技术：

2.随着第五代(5g)移动通信和人工智能技术的快速发展，数据量呈现指数增长，对高性能、小型化、多功能集成光子器件的需求与日俱增。传统设计方法是按照直接设计的思路，根据设计要求，先从已知的器件模型库中选取合适的结构，在不改变主体结构的前提下，通过调节少量的结构参数，使之能够满足目标需求。然而，由于受限于已知的模型库，传统设计方法已经无法满足目前的大带宽、多频段、非线性和密集集成的集成光子应用的需求。
3.逆向设计方法正在替代传统设计方法，成为高性能集成光子器件设计中广泛使用的强大工具。逆向设计是直接从目标出发，定义一个评价函数来评价器件功能与设计目标的匹配程度，通过不断调整优化区域的结构和材料参数，使目标函数不断逼近极值，从而找到具有目标光学响应的器件结构。在逆向设计过程中，首先将光子器件的设计区域离散成纳米级的像素，通过优化算法更新像素的有效折射率，然后通过电磁模拟得到当前光子器件结构的光学响应。优化程序将不断重复，直到光学响应满足目标。然而，由于器件结构的光学响应需要在每次迭代中通过电磁模拟获得，而且迭代次数也会随着目标函数的复杂性而显著增加，所以通常需要几天甚至几个月的时间才能获得满足设计要求的最终优化有效折射率分布。此外，现有的逆向设计光子仿真器只能实现线性功能，而无法实现非线性功能，因此，所能实现的功能较为有限。
4.综上所述，目前的逆向设计方法严重依赖于计算密集型的电磁模拟或耗时的模型训练，在训练和设计过程中需要消耗大量的计算资源，耗时长且能耗高。为了适应集成光子器件日益复杂的设计需求，亟需研发一种专用于超高速、超低能耗光子器件逆向设计方法和系统。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法，其目的在于，有效提高集成光子器件逆向设计的效率，并减少逆向设计过程中所需消耗的计算资源。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器，包括：信号光源，芯片，光调控模块以及光电探测模块；
7.芯片包括从下至上依次设置的硅衬底层、氧化硅层、平板光波导以及相变材料层；相变材料层未覆盖平板光波导的输入端口和输入端口；
8.光调控模块设置于芯片上方，可进行三维平移，用于对相变材料层中不同位置进行激光照射，以改变相应位置处相变材料的状态，从而影响平板光波导中的光场传输；
9.信号光源设置于平板光波导的输入端口一侧，用于向平板光波导输入激光信号；光电探测模块设置于平板光波导的输出端口一侧，用于探测平板光波导输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应。
10.本发明所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其实现逆向设计仿真的原理为：芯片中，非易失的相变材料层覆盖在平板光波导上方，相变材料的状态可在晶态、非晶态等多种不同状态之间发生变化；通过设置在芯片上方的光调控模块的激光照射，可以对相变材料层中不同位置的相变材料的状态进行调控，相应地会引起相变材料层中局部有效折射率的变化，而相变材料层中局部有效折射率的变化又将进一步影响光信号在平板光波导中的光场传输，进而影响最终的光子仿真结果，即平板光波导的光学响应；通过光电探测模块对芯片的光学响应进行探测，即可基于探测结果判断芯片的光学响应是否满足设计目标。
11.本发明利用实际的光传播获取实际的光响应，通过用光传播的真实物理过程取代电磁模拟，并且利用非易失性相变材料不用额外的功耗用于维持状态的特性对平板光波导中的光场分布进行调控，可以实现超快速和高能效的在线逆向设计，光子器件逆向设计所需时间从几天甚至几个月缩短至数十分钟，显著缩短了光子器件的设计周期；此外，本发明直接在待设计的芯片上进行仿真，仿真结果即为芯片的实际光学响应特性，因此，本发明的仿真结果具有较高的精度。
12.进一步地，平板光波导的输出端口还集成有非线性材料。
13.本发明通过在平板光波导的输出端集成非线性材料，可以在相变材料对输出光场的线性调控的基础上，实现对输出光场的非线性调控，使得芯片具备构建输出与输入之间的非线性映射的能力，进而实现复杂的非线性功能。
14.进一步地，非线性材料为锗或石墨烯，这些非线性材料的等离子体效应强弱可以通过金属热电极进行调节，实现对输出光场进行非线性调控。
15.进一步地，光调控模块包括三维平移台和安装于三维平移台上的调控光源，调控光源输出的激光与芯片垂直。
16.本发明中，调控光源设置于三维位移平台，可精确移动，调控迅速，便于在线实时训练，具备功能的可重构性。
17.进一步地，相变材料层的材料为gst、gsst或sb2se3。
18.按照本发明的另一个方面，在上述基于相变材料的逆向设计光子仿真器的基础上，提供了一种逆向设计方法，包括如下步骤：
19.(s1)利用信号光源向平板光波导中指定的输入端口输入波长和光功率均可调节的激光信号；
20.(s2)将相变材料层划分为多个网格；
21.(s3)利用光调控模块对相变材料层中不同网格处的相变材料的状态进行调控；
22.(s4)利用光电探测模块探测平板光波导中指定的输出端口输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应，并记录当前的网格调控策略及相应的光学响应；
23.(s5)迭代执行(s3)～(s4)，直至芯片的光学响应满足预设的设计目标或者迭代次数达到预设的最大迭代次数；
24.(s6)将使得芯片的光学响应最近设计目标的网格调控策略确定为目标调控策略，
并将按照目标调控策略进行调控后的芯片作为逆向设计得到的光子器件。
25.本发明所述提供的逆向设计方法，直接在待设计的芯片上进行仿真，属于一种在线训练的方法，具有系统鲁棒性，可以自适应外部环境的变化。
26.进一步地，步骤(s5)还包括：
27.若迭代次数达到预设的最大迭代次数时，芯片的光学响应不满足设计目标，则调整相变材料层的网格划分方案后，转入步骤(s2)，重新开始迭代。
28.本发明所提供的逆向设计方法，可以根据设计目标的复杂程度，灵活调整相变材料层的网格划分方案，包括对网格大小、网格数量等的调控，适应性更强，可实现更为丰富的光子器件功能。
29.进一步地，步骤(s3)中，依据晶化度公式对网格处的相变材料的状态进行调控，晶化度公式为：
[0030][0031]
其中，p为晶化度，εc和εa分别是非易失性相变材料在晶态和非晶态下的介电率常数，ε
eff
(p)为晶化度为p时的有效介电常数。
[0032]
本发明依据晶化度对单个网格处的相变材料的状态进行调控，由于不同晶化度的非易失性相变材料具有不同的介电常数，从而可以实现对覆盖了相变材料的有效折射率实部的多级调节，这将造成相位发生不同程度变化，实现对在平板光波导中传输光场的多级精细相位控制。
[0033]
进一步地，步骤(s3)中，通过随机梯度下降算法优化每个网格的相变材料状态，由此使得仿真器可以实现自动参数搜索和功能重构，并能鲁棒地适应外部环境的变化。
[0034]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0035]
(1)本发明用光传播的真实物理过程取代电磁模拟，并用非易失性相变材料不用额外的功耗用于维持状态的特性，可以实现超快速和高能效的在线逆向设计，并且具有更高的精度；实验表明，本发明进行光子器件逆向设计所需时间从几天甚至几个月缩短至数十分钟，显著缩短了光子器件的设计周期。
[0036]
(2)本发明通过在光子仿真器中平板光波导的输出端集成非线性材料，可以实现对输出光场的非线性调控，使得光子仿真器芯片具备构建输出与输入之间的非线性映射的能力，进而实现复杂的非线性功能。
[0037]
(3)本发明中，相变材料层直接覆盖在平板光波导的上方，光传播损耗低，具备扩展更多输出端口数和多级级联的能力。
[0038]
(4)本发明提供的逆向设计方法，是一种在线训练的方法，具有系统鲁棒性，可以自适应外部环境的变化。
[0039]
(5)本发明提供的逆向设计方法，可以根据设计目标复杂程度，灵活调整网格划分中的网格大小和网格数量，适应性更强，可实现更为丰富的光子器件功能。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例1提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器示意图；
[0041]
图2为本发明实施例1提供的芯片截面示意图；
[0042]
图3为本发明实施例2提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器示意图；
[0043]
图4为本发明实施例2提供的芯片中非线性调控区域的截面示意图；
[0044]
图5为本发明实施例3提供的逆向设计方法示意图；
[0045]
图6为本发明提供的基于非易失性相变材料的逆向设计光子仿真器得到的1
×
3光功分器模型示意图；
[0046]
图7为本发明提供的基于非易失性相变材料的逆向设计光子仿真器得到的具有1:3:9分光比的1
×
3光功分器实验结果；其中，(a)为评价函数随着光子仿真中的网格迭代优化而逐渐收敛的过程，(b)为1
×
3光功分器的三个输出端口的输出光功率值随着光子仿真中的网格迭代优化而不断趋近1:3:9分光比设计目标的过程；
[0047]
图8为本发明提供的基于非易失性相变材料的逆向设计光子仿真器得到的一个三通道可调波长选择开关模型；其中，(a)和(b)分别为可调波长选择开关的两种不同工作状态示意图；
[0048]
图9为图8中可调波长选择开关的两种不同工作状态的实验结果图，其中，(a)和(b)为分别为一种工作状态下三种不同波长在三个输出端口的传输结果和三个输出端口从1540nm到1560nm的光谱图，(c)和(d)为另一种工作状态下三种不同波长在三个输出端口的传输结果以及三个输出端口从1540nm到1560nm的光谱图；
[0049]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
[0050]
1-平板光波导，2-相变材料层，3-信号光源，4-调控光源，5-三维位移平台，6-非线性材料，7-光电探测模块。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0052]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0053]
为了解决现有光子器件逆向设计方法由于严重依赖于计算密集型的电磁模拟或耗时的模型训练导致的计算资源大和设计过程耗时长的问题，本发明提供了一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器及逆向设计方法，其整体思路在于：用实际的光传播获取实际的光响应，以利用光传播的真实物理过程取代电磁模拟，并基于非易失性相变材料不用额外的功耗用于维持状态的特性，通过对相变材料状态的调控，实现在仿真过程中对光子器件中光场传输的调控，由此实现超快速和高能效的在线逆向设计，并提高仿真精度；在此基础上，通过在芯片输出端口集成非线性材料，使芯片具备构建输出与输入之间的非线性映射的能力，进而实现复杂的非线性功能。
[0054]
以下为实施例。
[0055]
实施例1：
[0056]
一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器，如图1所示，包括：信号光源3，芯片，光
调控模块以及光电探测模块7。
[0057]
参阅图1和图2，本实施例中，芯片包括从下至上依次设置的硅衬底层、氧化硅层、平板光波导1以及相变材料层2；相变材料层2未覆盖平板光波导1的输入端口和输入端口；相变材料层2覆盖平板光波导1的部分为芯片的设计区域，该区域可构建输出与输入之间的线性映射；相变材料层2的材料可为gst、gsst或sb2se3等，可选地，考虑到sb2se3的损耗很低，在电信传输波段，其在两相中均没有表现出固有吸收损失，而且在工作温度下不易挥发，本实施例中，相变材料层2的材料具体为sb2se3。
[0058]
参阅图1，本实施例中，光调控模块设置于芯片上方，可进行三维平移，用于对相变材料层中不同位置进行激光照射，以改变相应位置处相变材料的状态，从而影响平板光波导1中的光场传输；参阅图1，本实施例中，光调控模块包括三维平移台5和安装于三维平移台5上的调控光源4，调控光源4输出的激光与芯片垂直，三维平移台5可进行x、y、z三个方向维度的精确移动，用于将调控光源4调整至合适的工作位置；本实施例中芯片的特征尺寸在微米量级，由于相变材料直接覆盖于平板光波导之上，因此，本实施例中的芯片易于加工，无需高精度加工设备，工艺容差大，并且损耗更低，具备多输出端口和多级级联的能力；相应地，本实施例中，三维位移平台5的三个位移轴的范围为几十微米；本实施例将调控光源4设置于三维位移平台5，可精确移动，调控迅速，便于在线实时训练，具备功能的可重构性。
[0059]
参阅图1，本实施例中，信号光源3设置于平板光波导1的输入端口一侧，用于向平板光波导1输入激光信号；光电探测模块7设置于平板光波导1的输出端口一侧，用于探测平板光波导1输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应；
[0060]
为了便于调控，可选地，本实施例中，信号光源3可以采用具有多个输出端口的激光器阵列，信号光源3的输出端口的数量与平板光波导1的输入端口的数量相等，且信号光源3的输出端口与平板光波导1的输入端口一一对应，信号光源3的每一个输出端口输出的激光信号的波长和光功率都可以调节；
[0061]
可选地，本实施例中，光电探测模块7具体为光电探测器，其在探测得到光功率信号后会进一步将探测到的光功率信号转换为电信号，以便于后续使用电子设备对信号进行处理和评价判决。
[0062]
本实施例中，非易失相变材料的状态变化影响有效折射率的具体过程为：
[0063]
非易失性相变材料具有晶态和非晶态两种典型状态，其在晶态和非晶态之间具有很高的对比度，介电性质存在显著的差异。相变材料在晶相和非晶相之间的转变改变了材料中化学键的排列，这导致了不同相态之间复折射率的显著差异，这种独特的性质允许通过切换相变材料的状态改变其复折射率的实部，进而引起光学相移，实现对在平板光波导1中传输光场的相位控制。一旦非易失性相变材料的状态确定下来，在常温下这种状态可以保持数十年不变，而且避免了传统热光调制方法需要持续外加电源带来的额外功耗。
[0064]
基于上述过程，本实施例所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，其实现逆向设计仿真的原理为：芯片中，非易失的相变材料层覆盖在平板光波导上方，相变材料的状态可在晶态、非晶态等多种不同状态之间发生变化；通过设置在芯片上方的光调控模块的激光照射，可以对相变材料层中不同位置的相变材料的状态进行调控，相应地会引起相变材料层中局部有效折射率的变化，而相变材料层中局部有效折射率的变化又将进一步影
响光信号在平板光波导中的光场传输，进而影响最终的光子仿真结果，即平板光波导的光学响应；通过光电探测模块对芯片的光学响应进行探测，即可基于探测结果判断芯片的光学响应是否满足设计目标。
[0065]
本实施例利用实际的光传播获取实际的光响应，通过用光传播的真实物理过程取代电磁模拟，并且利用非易失性相变材料不用额外的功耗用于维持状态的特性对平板光波导中的光场分布进行调控，可以实现超快速和高能效的在线逆向设计，光子器件逆向设计所需时间从几天甚至几个月缩短至数十分钟，显著缩短了光子器件的设计周期；此外，本实施例直接在待设计的芯片上进行仿真，仿真结果即为芯片的实际光学响应特性，因此，本实施例的仿真结果具有较高的精度。
[0066]
实施例2：
[0067]
一种基于相变材料的逆向设计光子仿真器，参阅图3，本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，平板光波导1的输出端口还集成有非线性材料6；
[0068]
本实施例通过在平板光波导的输出端集成非线性材料，可以在相变材料对输出光场的线性调控的基础上，实现对输出光场的非线性调控，使得芯片具备构建输出与输入之间的非线性映射的能力，进而实现复杂的非线性功能。芯片中，平板光波导1的输出端口覆盖了非线性材料6的区域，构成了芯片的非线性调控区域，该区域的截面如图4所示，从下至上依次包括硅衬底层、氧化硅层、平板光波导1以及非线性材料6；可选地，非线性材料6为锗或石墨烯等；可选地，考虑到锗-硅晶格失配引起的双轴压缩应变，锗薄膜在1550nm处的等离子体色散效应得到增强，可以基于此对硅波导中的光场进行非线性调控，本实施例中，非线性材料6具体为锗；
[0069]
本实施例中，其余部分的具体实施方式，可参考上述实施例1中的描述，在此将不做复述。应当说明的是，本实施例除了可以设计出具有非线性功能的光子器件，还可以实现具有线性功能的光子器件。
[0070]
实施例3：
[0071]
一种逆向设计方法，本实施例以上述实施例1或2所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器为基础。参阅图5，本实施例包括如下步骤：
[0072]
(s1)利用信号光源3向平板光波导1中指定的输入端口输入波长和光功率均可调节的激光信号；
[0073]
(s2)将相变材料层2划分为多个网格；
[0074]
相变材料层2覆盖平板光波导1的部分，即为芯片的设计区域；本实施例将设计区域划分为多个网格，每个网格的有效折射率可以通过调控光源4和三维位移平台5进行精细的调控；本实施例中，划分网格的数量可以表示为m
×
n，m和n均为正整数；
[0075]
通常情况下，设计区域的网格划分方案，即m和n的具体取值，可根据光子器件的功能复杂性以及仿真效率的要求进行设置；网格划分的粒度越大，进行网格调控的效率越高，进而仿真效率越高，但不利于仿真实现较为复杂的功能；反之，网格的划分粒度越小，有利于实现较为复杂的功能，但是进行网格调控的效率会随之降低，仿真效率也会受到一定的影响；网格划分方案，还需同时考虑三维位移平台5的位移精度，可以利用调控光源4和三维位移平台5对每一个网格进行调控；
[0076]
(s3)利用光调控模块对相变材料层2中不同网格处的相变材料的状态进行调控；
[0077]
可选地，本实施例的步骤(s3)中，对不同网格处的相变材料的状态进行调控的具体方式是：使用调控光源4和三维位移平台5对各个网格进行随机的微小调控，引起各个网格有效折射率的随机扰动，进而影响平板光波导1输出的光信号；
[0078]
作为一种优选的实施方案，本实施例的步骤(s3)中，依据晶化度公式对网格处的相变材料的状态进行调控，晶化度公式为：
[0079][0080]
其中，p为晶化度，εc和εa分别是非易失性相变材料在晶态和非晶态下的介电率常数，ε
eff
(p)为晶化度为p时的有效介电常数；本实施例依据晶化度对单个网格处的相变材料的状态进行调控，由于不同晶化度的非易失性相变材料具有不同的介电常数，从而可以实现对覆盖了相变材料的有效折射率实部的多级调节，这将造成相位发生不同程度变化，实现对在平板光波导中传输光场的多级精细相位控制；
[0081]
(s4)利用光电探测模块7探测平板光波导1中指定的输出端口输出的光信号的光功率，得到芯片的光学响应，并记录当前的网格调控策略及相应的光学响应；
[0082]
网格调控策略，包括网格划分方案，以及调控后每一个网格中相变材料的状态；
[0083]
基于上述实施例1或2所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器，经光电探测模块7探测得到的光功率信号会被转化为电信号；
[0084]
容易理解的是，在平板光波导1的输出端口集成了非线性材料6时，输入的激光信号还会经过非线性材料6的非线性调控；
[0085]
(s5)迭代执行(s3)～(s4)，直至芯片的光学响应满足预设的设计目标或者迭代次数达到预设的最大迭代次数；
[0086]
基于设计目标，即需要设计的芯片的功能，可定义合适的评价函数，用于评价在当前所述非易失性相变材料层调控状态下，平板光波导1输出的光信号是否符合设计目标；
[0087]
每次迭代中，对光电探测模块7探测得到的电信号进行处理后可以得到实时的评价函数值，将该评价函数值与设计目标进行对比，评价当前的光子仿真输出与设计目标的相似情况，进而判断当前施加的有效折射率随机扰动是否使得平板光波导1输出的光信号更加接近设计目标；
[0088]
(s6)将使得芯片的光学响应最近设计目标的网格调控策略确定为目标调控策略，并将按照目标调控策略进行调控后的芯片作为逆向设计得到的光子器件；
[0089]
若停止迭代时，芯片的光学响应满足设计目标，则直接将最后一次迭代中得到的有效折射率分布状态作为逆向设计的结果，并将对应的芯片作为最终逆向设计得到的光子器件即可。
[0090]
本实施例所述提供的逆向设计方法，直接在待设计的芯片上进行仿真，属于一种在线训练的方法，具有系统鲁棒性，可以自适应外部环境的变化。
[0091]
实施例4：
[0092]
一种逆向设计方法，本实施例与上述实施例3类似，所不同之处在于，本实施例中，步骤(s5)还包括：
[0093]
若迭代次数达到预设的最大迭代次数时，芯片的光学响应不满足设计目标，则调
整相变材料层2的网格划分方案，即调整m和n的取值，之后转入步骤(s2)，重新开始迭代。
[0094]
考虑到实施例3中，若停止迭代时，芯片的光学响应不满足设计目标，则只能得到一个接近设计目标的仿真结果，针对该问题，本实施例在这种情况下，通过调整相变材料层中的网格划分方案，能够提高逆向设计成功的可能性。
[0095]
本实施例所提供的逆向设计方法，将相变材料层2的网格划分方案也作为一个可优化的变量，扩展了逆向设计的自由度，使得在逆向设计过程中，可以根据设计目标的复杂程度，灵活调整相变材料层的网格划分方案，包括对网格大小、网格数量等的调控，适应性更强，可实现更为丰富的光子器件功能。
[0096]
以下结合两个具体的逆向设计实例，对本发明的技术方案做进一步的解释说明。此处所设计的两个光子仿真器芯片，均是在上述实施例1所提供的基于相变材料的逆向设计光子仿真器以及上述实施例3所提供的逆向设计的基础上得到的，这两个芯片分别属于集成光子器件逆向设计中的单目标问题和多目标问题。在这两个设计实例中，芯片中平板光波导输出端口的数量均为3，所使用的评价函数(cf)为：
[0097][0098]
其中，mi是目标向量，mexpi是实验向量，由迭代过程中平板光波导各输出端口的实时光功率组成；设计目标与评价函数总的目标向量mi相关。可以根据不同的设计目标，去定义不同的评价函数；cf的范围从0到1，其中cf＝0代表实验结果与目标结果完全不一致，cf＝1代表它们完全一致。在每次优化迭代中，选择其中一个网格，改变其局部相变材料状态；如果cf得到改善，参数将被更新，如果没有，将保持原来的参数。
[0099]
在其中的一个逆向设计实例中，针对集成光子器件逆向设计中的单目标问题，即仅输入单波长的激光信号的问题，进行了1
×
3光功分器的逆向设计光子仿真实验，由于器件结构只需要满足单一波长的光学响应的最优解，所以单波长器件的设计本质上是一个单目标问题。如图6所示，展示了基于光子仿真的逆向设计得到的1
×
3光功分器模型，光子仿真器设计区域的像素化网格最初处于随机状态，即施加于各金属热电极的电压值是随机设置的。当光信号输入后，可以通过实时测量平板光波导的三个输出端口的光功率，进而得到实时的评价函数值，通过将光学响应的实时反馈与设计目标进行比对，可以进行网格迭代优化，随着迭代次数的增加，评价函数值会逐渐收敛，这意味着器件的功能正在逐渐接近设计目标。图7展示了基于光子仿真的逆向设计得到的具有1:3:9分光比的1
×
3光功分器实验结果，图7中的(a)直观地展示了评价函数随着光子仿真中的网格迭代优化而逐渐收敛的过程，并且评价函数在第374次网格迭代优化时收敛于1，成功实现了本次逆向设计目标；图7中的(b)则直观地展示了1
×
3光功分器的三个输出端口的输出光功率值随着光子仿真中的网格迭代优化而不断趋近1:3:9分光比设计目标的过程，经过374次网格迭代优化之后，如图7中的(b)所示，1
×
3光功分器的三个输出端口的输出光功率值实现了1:3:9分光比的设计目标，这表明本发明基于非易失性相变材料的光子仿真器在迭代优化后具有实现单目标逆向设计的能力。
[0100]
在另一个逆向设计实例中，针对集成光子器件逆向设计中的多目标问题，即输入多波长的激光信号的问题，进行了可调波长选择开关的逆向设计光子仿真实验，如图8所示，展示了一个三通道可调波长选择开关模型，λ1、λ2和λ3分别对应1543nm、1550nm和
1557nm，图8中的(a)和(b)分别对应可调波长选择开关的两种不同工作状态，与传统的波长解复用器相比，可调波长选择开关不仅可以用来分离不同的波长信道，而且其输入和输出端口还可以根据需要自由切换，波长也可以自定义，可以实现更灵活的波长解复用功能。在该可调波长选择开关的逆向设计过程中，由于器件结构对不同波长的光学响应很难同时满足最优解，多波长器件的设计本质上是一个多目标问题，比单波长器件更复杂，在每个工作波长，应努力优化传输，同时减少串扰，这些目标的相对重要性需要通过适当的权衡来协调。
[0101]
如图9所示，展示了基于光子仿真的逆向设计得到的可调波长选择开关的两种不同工作状态的实验结果，其中，图9中的(a)和(b)所示为与图8中的(a)所示的工作状态相对应的实验结果，图9中的(c)和(d)所示为与图8中的(b)所示的工作状态相对应的实验结果。图9中的(a)和(c)是三种不同波长在三个输出端口的传输结果，直观地展示了被选择波长和其他波长之间的消光比的对比情况。以图9中的(a)为例，在第一输出端口这一行中，1557nm对应的条形柱最高，这意味着第一输出端口选择输出1557nm的光，同样地，第二输出端口选择输出1543nm的光，而第三输出端口选择输出1550nm的光。在同一输出端口行中，不同的条形柱之间的高度差越大，消光比就越高。图9中的(b)和(d)是三个输出端口从1540nm到1560nm的光谱。与之前稍有不同的是，三条光谱曲线分别对应于三个输出端口。从光谱中，可以清楚地看到每个端口输出的是哪个波长的光。在网格迭代优化步骤中，依次输入不同波长的光，可以通过三个输出端口的光功率，并将选定波长和其他波长的消光比优化到最佳。图9中的两个波长的透射情况和光谱都表明，在两种情况下，每个输出端口的选定波长的消光比都超过了10db，这表明本发明基于相变材料的光子仿真器在迭代优化后具有实现多目标逆向设计的能力。
[0102]
本发明通过将传播即计算的概念引入逆向设计领域，使光子仿真器打破了基于密集型电子计算的电磁模拟的思维模式，为高速和低能耗的逆向设计开辟了一条全新的路径，使以前无法实现的功能或更高性能的光子器件设计在不久的将来成为可能。
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本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。