(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利(72)發(fā)明人王琦梁昊袁學(xué)光劉昊徐際宇張陽安劉凱黃永清公司11002文數(shù)據(jù)庫信息科技輯.2024,(第04期),第I135-222頁.一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向本發(fā)明提出了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投2根據(jù)所述光子器件的預(yù)定義設(shè)計精度將所述光子器件中的預(yù)設(shè)功能區(qū)域進(jìn)行平面像對所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)所有平面像素單元設(shè)置等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子形成等效對初始化后的所述等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布進(jìn)行模糊化區(qū)域內(nèi)的所述等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電磁計算方法進(jìn)行求其中，在自適應(yīng)投影化處理時，使用兼具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投述兩個權(quán)重因子用于每次迭代優(yōu)化過程中對光子器件預(yù)設(shè)功能區(qū)域的不同平面像素單元式中，P為每次迭代過程中經(jīng)過模糊化處理后的平面像素單元的第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，P為每次迭代過程中經(jīng)過投影化處理后的平面3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，其特征在3所述品質(zhì)因數(shù)具體為：光源經(jīng)過光子器件后，所述探針在輸出波導(dǎo)的指定區(qū)域內(nèi)探測到的電磁場分布與所述指定區(qū)域內(nèi)期望得到的電磁場分布進(jìn)行離散重疊積分之后的歸一化函數(shù)；其中，所述離散重疊積分的計算方法為：對所述輸出波導(dǎo)的指定區(qū)域內(nèi)探測到的電磁場分布的共軛矩陣的各元素求和結(jié)果與所述指定區(qū)域內(nèi)期望得到的電磁場分布的矩陣的各元素求和結(jié)果進(jìn)行乘積處理；所述平面像素單元是指依據(jù)所述預(yù)定義設(shè)計精度，對所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到一組規(guī)則的平面網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格就是一個平面像素單元；所述光子器件是由輸入波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布、輸出波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布與預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)所有平面像素單元對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布共同確所述迭代優(yōu)化是優(yōu)化所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布的過程；具體地，利用優(yōu)化算法多次重復(fù)下述操作：為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)重新生成等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布，再將重新生成的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布再次經(jīng)過模糊化、投影化和線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡刃鄬殡姵?shù)分布；所述完全二值化是指經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后得到的光子器件只由兩種不同折射率的材料組成，每一個像素單元的等效相對介電常數(shù)值都已確定，且只能從第一等效相對介電常數(shù)和第二等效相對介電常數(shù)的兩個數(shù)值中任選其一，其中，所述第一等效相對介電常數(shù)表示所述兩種不同折射率的材料中低折射率材料的等效相對介電常數(shù)，其中，所述第二等效相對介電常數(shù)表示所述兩種不同折射率的材料中高折射率材料的等效相對介電常數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，其特征在S1:獲取光子器件的預(yù)定義品質(zhì)因數(shù)、預(yù)設(shè)功能精度，并選取兩種不同折射率的材料作為設(shè)計材料；S2:依據(jù)所述預(yù)定義設(shè)計精度，將所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域劃分為M×N個規(guī)則的平面網(wǎng)格單S3:在輸入波導(dǎo)設(shè)置光源，為光子器件提供激勵光源；然后在輸出波導(dǎo)設(shè)置探針，其中，所述探針用于探測輸出波導(dǎo)指定區(qū)域的電磁場分布；S4:對預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子進(jìn)行初始化處理，即為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元均設(shè)置一個初始的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子；S5:初始化處理之后的每一個平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)過模糊化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝坏刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)自適應(yīng)投影化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第二等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子對兩種不同折射率材料進(jìn)行線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃鄬殡姵?shù)，所有平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)進(jìn)而形成預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布；S6:將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電磁計算方法進(jìn)行求解計算，得到激勵光源經(jīng)過預(yù)設(shè)功能區(qū)域的電磁場分布，進(jìn)而利用探針測得輸出波導(dǎo)的指定位置的電磁場分布，并將其代入到品質(zhì)因數(shù)中進(jìn)行計算，若品質(zhì)因數(shù)達(dá)到4等效相對介電常數(shù)分布和輸出波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布得到了滿足設(shè)計要求的S7:迭代優(yōu)化，即利用優(yōu)化算法根據(jù)上次迭代結(jié)束時獲得的品質(zhì)因數(shù)的具體函數(shù)值重常數(shù)分布，再結(jié)合輸入波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分布和輸出波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法的具體設(shè)計流將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所有平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p值均設(shè)置為一或，將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所有平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p值進(jìn)行隨或，預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所有平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p值進(jìn)行隨機(jī)6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法具體設(shè)計流7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法具體設(shè)計流8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法具體設(shè)計流9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，其5一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及微納光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法。背景技術(shù)[0002]隨著全球信息化的高速發(fā)展，人們對信息的需求日益增長，在此過程中，信息的產(chǎn)生、存儲與處理高度依賴于微電子集成芯片，促使微電子集成度不斷提升和半導(dǎo)體工藝水平的不斷進(jìn)步，組成微電子芯片的晶體管尺寸越來越小，摩爾定律面臨著失效的風(fēng)險，微電子集成芯片的性能提升空間越來越小。在此背景下，微納光子集成芯片為解決微電子集成芯片所面臨的困境提供了一種新的方案。[0003]如同微電子集成芯片是由數(shù)以億計的晶體管組成一樣，微納光子芯片也是由大量分立的光子器件組成，同時需要分立的光子器件具備優(yōu)秀性能和超小尺寸。然而，傳統(tǒng)的光子器件通常依靠正向設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，不僅設(shè)計效率低，而且設(shè)計出的光子器件性能并不理想，此外器件尺寸偏大，阻礙了光子器件朝著高性能、小尺寸方向發(fā)展，這已成為微納光子集成芯片的發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。[0004]近年來，研究人員逐漸轉(zhuǎn)向逆向設(shè)計方法對光子器件進(jìn)行智能設(shè)計，即通過優(yōu)化算法對事先定義好的光子器件品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至獲得滿足性能要求的小尺寸光子器件，相較于傳統(tǒng)的正向設(shè)計方法，優(yōu)勢明顯，極大推動高性能分立光子器件和微納光子集成芯片的發(fā)展。[0005]目前，較為常用的光子器件逆向設(shè)計方法主要有兩種：一種為直接二進(jìn)制搜索方法，該方法可在保持小尺寸的前提下獲得性能優(yōu)良的光子器件，但是此方法“暴力式”的遍歷求解需要耗費(fèi)大量的計算資源和計算時間；另一種為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，這種設(shè)計方法一般先進(jìn)行連續(xù)優(yōu)化，之后再進(jìn)行離散優(yōu)化，但是額外的離散優(yōu)化造成了計算成本增加，設(shè)計時間延長，更為嚴(yán)重地是，設(shè)計得到的光子器件存在品質(zhì)因數(shù)值劣化(即，額外離散優(yōu)化收斂時品質(zhì)因數(shù)最大值相較于連續(xù)優(yōu)化收斂時品質(zhì)因數(shù)最大值有所下降)、設(shè)計結(jié)束后光子器件仍未完全二值化等諸多問題。發(fā)明內(nèi)容[0006]針對現(xiàn)有光子器件逆向設(shè)計存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，通過引入兼具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投影函數(shù)，旨在解決傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計獲得的光子器件存在的未完全二值化問題以及需要進(jìn)行額外的離散優(yōu)化帶來的計算成本增加、品質(zhì)因數(shù)劣化問題。[0007]一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，包括：[0008]獲取光子器件的預(yù)定義品質(zhì)因數(shù)，其中，所述光子器件由兩種不同折射率的材料組成，所述光子器件包括一個或多個輸入波導(dǎo)和一個或多個輸出波導(dǎo)；[0009]根據(jù)所述光子器件的預(yù)定義設(shè)計精度將所述光子器件中的預(yù)設(shè)功能區(qū)域進(jìn)行平6面像素單元劃分，并在所述輸入波導(dǎo)設(shè)置激勵光源，在所述輸出波導(dǎo)設(shè)置探針；[0010]對所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)所有平面像素單元設(shè)置等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子形成等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布，并進(jìn)行初始化；[0011]對初始化后的所述等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布進(jìn)行模糊化、自適應(yīng)投影化，然后對所述兩種不同折射率的材料進(jìn)行線性插值得到等效相對介電常數(shù)分布，將所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所述等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電磁計算方法進(jìn)行求解計算，基于所述求解計算的求解結(jié)果獲得所述品質(zhì)因數(shù)的具體函數(shù)值；之后依據(jù)品質(zhì)因數(shù)的所述具體函數(shù)值對所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至品質(zhì)因數(shù)收斂至最大值，得到預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布，進(jìn)而獲得滿足設(shè)計要求并且完全二值化的光子器件；[0012]其中，在自適應(yīng)投影化處理時，使用兼具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投影函數(shù)。[0013]為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，下面對于本發(fā)明涉及的基本概念做出詳細(xì)說明：[0014]所述品質(zhì)因數(shù)具體為：光源經(jīng)過光子器件后，所述探針在輸出波導(dǎo)的指定區(qū)域內(nèi)探測到的電磁場分布與所述指定區(qū)域內(nèi)期望得到的電磁場分布進(jìn)行離散重疊積分之后的歸一化函數(shù)；其中，所述離散重疊積分的計算方法為：對所述輸出波導(dǎo)的指定區(qū)域內(nèi)探測到的電磁場分布的共軛矩陣的各元素求和結(jié)果與所述指定區(qū)域內(nèi)期望得到的電磁場分布的矩陣的各元素求和結(jié)果進(jìn)行乘積處理；[0015]所述平面像素單元是指依據(jù)所述預(yù)定義設(shè)計精度，對所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到一組規(guī)則的平面網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格就是一個平面像素單元；[0016]所述光子器件是由輸入波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布、輸出波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布與預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)所有平面像素單元對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布共同確定的；[0017]所述迭代優(yōu)化是優(yōu)化所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布的過程。具體地，利用優(yōu)化算法多次重復(fù)下述操作：為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)重新生成等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布，再將重新生成的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子分布再次經(jīng)過模糊化、投影化和線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡刃鄬殡姵?shù)分布；[0018]所述完全二值化是指經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后得到的光子器件只由兩種不同折射率的材料組成，每一個像素單元的等效相對介電常數(shù)值都已確定，且只能從第一等效相對介電常數(shù)和第二等效相對介電常數(shù)的兩個數(shù)值中任選其一，其中，所述第一等效相對介電常數(shù)表示所述兩種不同折射率的材料中低折射率材料的等效相對介電常數(shù)，其中，所述第二等效相對介電常數(shù)表示所述兩種不同折射率的材料中高折射率材料的等效相對介電常數(shù)。[0019]為了設(shè)計得到本發(fā)明實(shí)施例中的三維光子器件，先使用變分折射率等效法或互易折射率等效法將期望獲得的三維光子器件等效成二維光子器件，然后將二維光子器件通過平面像素單元劃分轉(zhuǎn)變?nèi)舾蓚€規(guī)則的平面像素單元，將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并進(jìn)行二維電磁計算，基于所述求解計算的求解結(jié)果獲得所述品質(zhì)因數(shù)的一個具體函數(shù)值，之后利用優(yōu)化算法進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到品質(zhì)因數(shù)收斂至一個最大值，獲得預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布，進(jìn)而獲得滿足設(shè)計要求完7全二值化的光子器件。使用折射率等效法及二維電磁計算帶來的直接效果是消耗的計算資[0020]在現(xiàn)有的利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對光子器件進(jìn)行逆向設(shè)計時，通常會構(gòu)造非常復(fù)雜的品質(zhì)因數(shù)以提高光子器件的性能，同時，連續(xù)優(yōu)化和額外的離散優(yōu)化都使用完全相同的品質(zhì)因數(shù)。連續(xù)優(yōu)化時，預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)允許連續(xù)變化，優(yōu)先使品質(zhì)因數(shù)收斂至最大值；額外的離散優(yōu)化時，一般都是將連續(xù)優(yōu)化所得的等效介電常數(shù)調(diào)控因子作僅導(dǎo)致了整個優(yōu)化時間的增加，還會使離散優(yōu)化收斂時取到的品質(zhì)因數(shù)最大值低于連續(xù)優(yōu)化收斂時取到的品質(zhì)因數(shù)最大值，也就是光子器件的品質(zhì)因數(shù)值劣化；最為嚴(yán)重的是，即使經(jīng)過了額外的離散優(yōu)化后，光子器件仍未達(dá)到100%的二值化狀態(tài)，仍有部分平面像素單元處于“中間態(tài)”,即部分平面像素單元的等效相對介電常數(shù)取值并非從預(yù)先選定的兩種合適設(shè)計材料的第一等效相對介電常數(shù)和第二等效相對介電常數(shù)中任選其一，而是介于第一等效相對介電常數(shù)和第二等效相對介電常數(shù)之間的某一個值。光子器件未達(dá)到完全二值化的直接后果是，所設(shè)計得到的光子器件在進(jìn)行工藝制備時，必須將光子器件處于“中間態(tài)”的平面像素單元的等效相對介電常數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N預(yù)先選定材料的第一等效相對介電常數(shù)和第二等效相對介電常數(shù)中的一個，顯然這種轉(zhuǎn)變會增加設(shè)計的復(fù)雜性，同時使工藝制備所使用的光子器件結(jié)構(gòu)與離散優(yōu)化結(jié)束后得到的光子器件結(jié)構(gòu)并不一致，這種不一致顯然會帶來光子器件性能劣化的風(fēng)險。[0021]本發(fā)明突破常規(guī)設(shè)計思維，在進(jìn)行自適應(yīng)投影化處理時，使用兼具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投影函數(shù)，從而使得品質(zhì)因數(shù)收斂時得到的光子器件不僅已完全二值化，確保工藝制備時光子器件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)束時光子器件的結(jié)構(gòu)完全一致，滿足工藝制備要求，而且整個設(shè)計過程自適應(yīng)完成，無需進(jìn)行額外的離散優(yōu)化，解決了離散優(yōu)化導(dǎo)致光子器件品質(zhì)因數(shù)劣化問題的同時還簡化了設(shè)計流程。此外，在進(jìn)行不同功能的光子器件設(shè)計時，設(shè)計人員無需重新構(gòu)建復(fù)雜的品質(zhì)因數(shù)，只需將期望獲得的電磁場分布填充到品質(zhì)因數(shù)中，然后進(jìn)行簡單的初始化和投影參數(shù)配置即可設(shè)計出完全二值化的、滿足工藝制備要求的高性能光子器件，因此本發(fā)明方法具有更好的通用性。[0022]根據(jù)本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，[0023]所述差異化處理特性具體為：在所述自適應(yīng)投影函數(shù)中引入了兩個權(quán)重因子，所述兩個權(quán)重因子用于每次迭代優(yōu)化過程中對光子器件預(yù)設(shè)功能區(qū)域的不同平面像素單元進(jìn)行兩種不同的投影處理；所述動態(tài)調(diào)整特性具體為：所述自適應(yīng)投影函數(shù)始終隨迭代優(yōu)化次數(shù)而動態(tài)變化。[0024]根據(jù)本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，兼具差異化處理特性和動態(tài)調(diào)整特性的自適應(yīng)投影函數(shù)的表達(dá)式為：8[0029]式中，P為每次迭代過程中經(jīng)過模糊化處理后的平面像素單元的第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，P為每次迭代過程中經(jīng)過投影化處理后的平面像素單元的第二等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，P和P取值范圍均為[0,1],β為每次迭代過程中自適應(yīng)投影化處理時用到的投影強(qiáng)度參數(shù)，k為線性調(diào)控因子，k取大于0的任意實(shí)數(shù)，i表示當(dāng)前處于第i次迭代[0030]自適應(yīng)投影函數(shù)的差異化處理在提升設(shè)計效率的同時也保證了獲得的光子器件表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，具體地，自適應(yīng)投影函數(shù)引入了α?和α?兩個權(quán)重能區(qū)域內(nèi)不同平面像素單元內(nèi)第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子P的差異化投影處理得到第二等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p,p線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃鄬殡姵?shù)e,因此，α?和α?可間接差異化處理光子器件預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每個平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)ε。在迭代優(yōu)化過程中，權(quán)重因子α?使得預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)大于閾值參數(shù)的平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)隨迭代次數(shù)較快變化，從而較早達(dá)到了最終狀態(tài)，縮小了優(yōu)化算法的求解區(qū)域，減小了計算量，加快了設(shè)計效率；權(quán)重因子a?使得預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)小于等于閾值參數(shù)的平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)隨迭代次數(shù)較慢變化，實(shí)現(xiàn)了其對電磁場的精素單元中等效相對介電常數(shù)之間的折射率差，從而將電磁場限制到較高折射率材料中，減小能量損耗，使得設(shè)計得到的光子器件可以達(dá)到優(yōu)秀的性能。[0031]另外，上述自適應(yīng)投影函數(shù)采用了雙曲正切函數(shù)的兩次嵌套結(jié)構(gòu)增加了投影強(qiáng)率逐漸增大，最終實(shí)現(xiàn)了光子器件的完全二值化，有利于工藝制備的實(shí)現(xiàn)；再者，光子器件設(shè)計時無需再進(jìn)行額外離散優(yōu)化，解決了離散優(yōu)化導(dǎo)致的品質(zhì)因數(shù)值劣化問題，還簡化了設(shè)計流程。[0032]根據(jù)本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法，具體設(shè)計流程設(shè)計精度，并選取兩種不同折射率的材料作為設(shè)計材料；[0034]S2:依據(jù)所述預(yù)定義設(shè)計精度，將所述預(yù)設(shè)功能區(qū)域劃分為M×N個規(guī)則的平面網(wǎng)[0035]S3:在輸入波導(dǎo)設(shè)置光源，為光子器件提供激勵光源；然后在輸出波導(dǎo)設(shè)置探針，其中，所述探針用于探測輸出波導(dǎo)指定區(qū)域的電磁場分布；[0036]S4:對預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子進(jìn)行9調(diào)控因子；[0037]S5:初始化處理之后的每一個平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)過模像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)進(jìn)而形成預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的[0038]S6:將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布和輸出波導(dǎo)對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)分布得到了滿足設(shè)計要[0039]S7:迭代優(yōu)化，即利用優(yōu)化算法根據(jù)上次迭代結(jié)束時獲得的品質(zhì)因數(shù)的具體函數(shù)值重新為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的每個平面像素單元生成一個新的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，[0041]將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所有平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p值均設(shè)置隨機(jī)化取值，且每一個平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子p值服從U(0,1)均勻分折射率的材料為硅(Si)、鍺(Ge)、硅化鍺(SiGe)、氧化硅(Si0)、氮化硅(SiN)、碳化硅例一中選取的設(shè)計材料是硅(Si)和二氧化硅(SiO?),實(shí)施例二中選取的設(shè)計材料是硅(Si)附圖說明[0061]圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器品質(zhì)因數(shù)隨著迭代次數(shù)增加逐步收斂的[0062]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器的俯視輪廓圖和輸入激勵光源后的電磁[0064]圖7為傳統(tǒng)基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件逆向設(shè)計方法和本發(fā)明中提出的基于拓?fù)鋬?yōu)[0067]圖10為本發(fā)明實(shí)施例二提供的彎曲波導(dǎo)品質(zhì)因數(shù)隨著迭代次數(shù)增加逐步收斂的[0068]圖11為本發(fā)明實(shí)施例二提供的彎曲波導(dǎo)的俯視輪廓圖和輸入激勵光源后的電磁[0072]根據(jù)圖1提供的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法流程示意圖，本實(shí)段(中心波長位于1310nm)。SOI襯底的頂部硅層厚度為220nm、下層二氧化硅層厚度為2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器的三維示意圖，圖2中的(a)為未添加二氧化硅蓋層[0075]其中，Esim為光源經(jīng)過光子器件后在輸出波導(dǎo)指定區(qū)域內(nèi)實(shí)際的電磁場分布的一化，引入了貫穿預(yù)設(shè)功能區(qū)域的虛擬直波導(dǎo)，并用下標(biāo)through來代表；[0076]其次，設(shè)計精度設(shè)置為40nm,即預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每個平面像素單元(設(shè)計的最小單位)是邊長為40nm的平面矩形網(wǎng)格，圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器的設(shè)計模型示意圖，如圖3所示，預(yù)設(shè)功能區(qū)域101的尺寸為1.92μm×2.4μm,輸入波導(dǎo)102、上輸出波導(dǎo)103、下輸出波導(dǎo)104寬度為0.4μm,輸出波導(dǎo)之間的間距為1.6μm,完美匹配層的寬度105為[0077]最后，選取硅和二氧化硅作為設(shè)計材料，使用變分折射率等效法將三維光子器件等效為二維光子器件，此時，硅的有效折射率為nsi(neff)=2.8si=5.86;二氧化硅的有效直射率為nsio2(neff)=1.45,對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)為8sio2=[0078]S2:根據(jù)設(shè)計精度將預(yù)設(shè)功能區(qū)域劃分48×60平面矩形網(wǎng)格，其中，每個網(wǎng)格單元為一個平面像素單元，獲得2880個平面像素單元；[0079]S3:在輸入波導(dǎo)設(shè)置光源，為光子器件提供激勵光源，具體地，輸入激勵光源為準(zhǔn)TE偏振模(主分量為H,H,E?);然后，在輸出波導(dǎo)設(shè)置探針，用于對輸出波導(dǎo)指定區(qū)域內(nèi)的電磁場分布進(jìn)行探測；[0080]S4:對預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子進(jìn)行初始化處理，即為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元均設(shè)置一個初始的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，作為優(yōu)選，本實(shí)施例將預(yù)設(shè)功能區(qū)域所有平面像素單元內(nèi)的p值設(shè)置為一常[0081]S5:初始化處理之后的每一個平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)過模糊化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝坏刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)自適應(yīng)投影化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第二等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子對兩種不同折射率材料進(jìn)行線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃鄬殡姵?shù)，從而在預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)生成等效相對介電常數(shù)分布；在自適應(yīng)投影化過程中，需設(shè)置自適應(yīng)投影函數(shù)[0082]S6:將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電磁計算方法進(jìn)行求解計算，得到激勵光源經(jīng)過預(yù)設(shè)功能區(qū)域的電磁場分布，進(jìn)而利用探針測得輸出波導(dǎo)的指定位置的電磁場分布，并將其代入到品質(zhì)因數(shù)中進(jìn)行計算，此時，品質(zhì)因數(shù)未達(dá)到最大值，因此進(jìn)行步驟S7操作；[0083]S7:迭代優(yōu)化500次，即利用梯度優(yōu)化算法根據(jù)上次迭代結(jié)束時獲得的品質(zhì)因數(shù)的具體函數(shù)值重新為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的每個平面像素單元生成一個新的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，之后重復(fù)步驟S5-S6,直至品質(zhì)因數(shù)收斂至最大值，獲得預(yù)設(shè)功能區(qū)域?qū)?yīng)的等效相對介電常數(shù)分布，再結(jié)合輸入波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分布和輸出波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分布，得到滿足設(shè)計要求的光子器件。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器品質(zhì)因數(shù)隨著迭代次數(shù)增加逐步收斂的示意圖，隨著迭代次數(shù)的增加，品質(zhì)因數(shù)逐步收斂至最大值，最終獲得了小尺寸的高性能功率分束器件。[0084]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器的俯視輪廓圖和輸入激勵光源后的電磁場分布圖，圖5中的(a)為功率分束器俯視輪廓圖，圖5中的(b)為輸入激勵光源后的電磁場分布圖。從電磁場分布來看，最終獲得的光子器件實(shí)現(xiàn)了對入射光的分束功能。具體地，下輸出波導(dǎo)的透射率為48.87%,上輸出波導(dǎo)的透射率為49.35%,整個功率分束器件最小插入損耗僅為0.078dB,圖6為本發(fā)明實(shí)施例一提供的功率分束器透射率隨波長的變化示意器件逆向設(shè)計方法獲得的功率分束器與本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法相同，以此達(dá)到控制變量的目[0087]圖7為傳統(tǒng)基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件逆向設(shè)計方法和本發(fā)明中提出的基于拓?fù)鋬?yōu)7中的(a)展示了用傳統(tǒng)基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件逆向設(shè)計方法獲得的功率分束器的俯視結(jié)構(gòu)并不一致，這種不一致會進(jìn)一步導(dǎo)致光子本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法獲得的功率分束器俯視輪廓不會出現(xiàn)因轉(zhuǎn)化造成工藝制備所使用的光子器件結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)束時的光子器件結(jié)構(gòu)不一透射率均在45%以上的帶寬為361nm,用本發(fā)明中提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法獲得的功率分束器兩輸出透射率均在45%以上的帶寬為410nm,因此，本發(fā)明提出的逆向設(shè)計方法獲得的功率分束器帶寬性能要優(yōu)于傳統(tǒng)逆于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件逆向設(shè)計方法得到的相同尺寸功率分束器提升了13.57%,獲得了[0091]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的基于拓?fù)鋬?yōu)化的光子器件自適應(yīng)逆向設(shè)計方法的位于光通信的0波段(中心波長位于1310nm)。SOI襯底的頂部硅層厚度為220nm、下層二氧化硅層厚度為500nm,220nm厚的頂部硅層上側(cè)暴露于空氣中。圖8為本發(fā)明實(shí)施例二提供的彎曲波導(dǎo)光子器件的三維示意圖。具體的設(shè)計流程如下：[0094]其中，Esim為光源經(jīng)過光子器件后在輸出波導(dǎo)指定區(qū)域內(nèi)實(shí)際的電磁場分布的[0095]其次，設(shè)計精度設(shè)置為30nm,圖9為本發(fā)明實(shí)施例二提供的彎曲波導(dǎo)的設(shè)計模型示意圖，如圖9所示，預(yù)設(shè)功能區(qū)域尺寸301為3μm×3μm,輸入波導(dǎo)302、輸出波導(dǎo)303寬度為[0096]最后，選取硅和空氣作為設(shè)計材料，使用變分折射率等效法將三維光子器件等效=5.54,空氣的有效直射率為nair(nef)=1,對應(yīng)的等效相對介電常數(shù)為εair=1;[0097]S2:根據(jù)設(shè)計精度將預(yù)設(shè)功能區(qū)域劃分100×100平面矩形網(wǎng)格，其中，每個網(wǎng)格單元為一個平面像素單元，獲得10000個不同的平面像素單元；[0098]S3:在輸入波導(dǎo)設(shè)置光源，為光子器件提供激勵光源，具體地，輸入激勵光源為準(zhǔn)TE偏振模(主分量為H,H,E?);然后，在輸出波導(dǎo)設(shè)置探針，用于對輸出波導(dǎo)指定區(qū)域內(nèi)的電磁場分布進(jìn)行探測；[0099]S4:對預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元內(nèi)的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子進(jìn)行初始化處理，即為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)每一個平面像素單元均設(shè)置一個初始的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，作為優(yōu)選，本實(shí)施例二對預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的所有平面像素單元的p值進(jìn)行隨機(jī)化取值，且每一個平面像素單元所取p值服從類高斯分布；[0100]S5:初始化處理之后的每一個平面像素單元的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)過模糊化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝坏刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第一等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子經(jīng)自適應(yīng)投影化處理轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙刃鄬殡姵?shù)調(diào)控因子，所述第二等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子對兩種不同折射率材料進(jìn)行線性插值處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃鄬殡姵?shù)，從而在預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)生成等效相對介電常數(shù)分布；在自適應(yīng)投影化過程中，需設(shè)置自適應(yīng)投影函數(shù)[0101]S6:將預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的等效相對介電常數(shù)分布帶入到麥克斯韋方程組并應(yīng)用電磁計算方法進(jìn)行求解計算，得到激勵光源經(jīng)過預(yù)設(shè)功能區(qū)域的電磁場分布，進(jìn)而利用探針測得輸出波導(dǎo)的指定位置的電磁場分布，并將其代入到品質(zhì)因數(shù)中進(jìn)行計算；此時，品質(zhì)因數(shù)未達(dá)到最大值，因此進(jìn)行步驟S7操作；[0102]S7:迭代優(yōu)化500次，即利用梯度優(yōu)化算法根據(jù)上次迭代結(jié)束時獲得的品質(zhì)因數(shù)的具體函數(shù)值重新為預(yù)設(shè)功能區(qū)域內(nèi)的每個平面像素單元生成一個新的等效相對介電常數(shù)調(diào)控因子，之后重復(fù)步驟S5-S6,直至品質(zhì)因數(shù)收斂至最大值，獲得預(yù)設(shè)功能區(qū)域?qū)?yīng)的等效相對介電常數(shù)分布，再結(jié)合輸入波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分布和輸出波導(dǎo)的等效相對介電常數(shù)分布，得到滿足設(shè)計要求的光子器件。圖10為本發(fā)明實(shí)施例二提供的彎曲波導(dǎo)品質(zhì)因數(shù)隨著迭代次數(shù)增加逐步收斂的示意圖，隨著迭代次數(shù)的增加，品質(zhì)因數(shù)逐步收斂至最大