[发明专利]一种基于遗传优化的集成光子带通滤波器的设计方法

说明书

本发明涉及一种基于遗传优化的集成光子带通滤波器的设计方法，属于微纳光子学器件技术领域。利用物理场仿真软件的模式分析模块，采用等效折射率的方法将三维模型等效为二维模型，选定器件整体形状和结构单元形状，用等距网格对器件整体划分，进行遗传优化操作，通过输出的最佳结构单元确定带通滤波器的结构。所述方法设计大大提升了设计效率，制造出的带通滤波器与传统的宏观光学器件相比尺寸超小，集成度高；性能良好，线型优，带宽大，滚降范围较小；指标均满足当前微纳加工的要求。所述方法的使用，可以使研究者更专注于器件的级联应用以及对器件内在机制的探究，为未来光处理、光通讯的发展提供了备选方案。

技术领域

本发明涉及一种基于遗传优化的集成光子带通滤波器的设计方法，属于微纳光子学器件技术领域。

背景技术

随着包括5G通讯、物联网在内的新型产业的兴起，在实际应用中对于高速、低损耗的信息处理系统的需求与日俱增。传统的电子器件受摩尔定律的限制，在储存密度和运算速度的突破上均面临瓶颈，并且进入“后摩尔时代”，电子器件不可无限制地进行集成。器件的尺寸越小，量子效应越明显，集成的困难就越大。作为摩尔定律的延续，人们提出一种极具潜力的设计——光子芯片。相较于传统的电子芯片，光子芯片的巨大优势之一是光子之间无相互作用力，可以大大降低系统的功耗，增大信息传输的带宽。因此，光子芯片可以在数据通信、高性能计算和传感技术上有重要的应用。目前大规模集成光子芯片尚处于探索阶段，研究工作大多集中于对微小分立元器件的设计与制造上。

带通滤波器是一种信号前端处理器件，是光子芯片集成的重要元器件之一。它可以有效抑制不需要波段的信号，仅允许目标波段通过，这在信号处理领域具有广泛的应用。然而，目前带通滤波器在光子集成器件领域少见报道。传统方法大多依赖经验以及物理启发进行结构设计和参数优化，需要耗费大量资源，器件的性能有局限性。相较于传统的设计方法，利用算法设计纳米光子学器件具有普适性和高效性。通过采用恰当的算法进行优化，可以有效提高设计效率，优化器件指标，避免出现局部最优的情况，找到性能最优的器件。

发明内容

本发明的目的在于针对光子集成器件领域报道的带通滤波器存在体积大，设计过程繁杂的技术缺陷，提供一种基于遗传优化的集成光子带通滤波器的设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

所述基于遗传优化的可集成光子带通滤波器的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、利用物理场仿真软件的模式分析模块，采用等效折射率的方法将三维模型等效为二维模型；

其中，物理场仿真软件为COMSOL Multiphysics软件；

步骤1操作的原因是为了缩短遗传优化的时间，减少基于三维模型的遗传优化对大量个体进行计算的计算量；

步骤2、基于二维模型选定器件整体的形状和结构单元的形状，用等距网格划分器件的整体区域，得到n×m个结构单元；

其中，器件整体的形状是凸多边形，n×m个结构单元，具体为：将整个器件的中心置于直角坐标系的原点，在器件内部作n-1条与横轴平行的等距线，把器件整体沿横向分割为等高的n份；再把器件沿纵向分割为等宽的m份，即生成n×m个网格，每个网格称为一个结构单元；

步骤3、在步骤2中划分的所有网格中取顶点全部处于器件内部的结构单元作为二维模型优化前的结构；

其中，结构单元尺寸参数取可变范围的最小值；

步骤3操作的原因是由于划分的等距网格有些不在器件的内部，有些只有部分在器件内部，这会给后续优化带来困难，因此只对顶点全部均处于器件内部的结构单元进行设置；