[发明专利]一种光子晶体器件逆向设计方法

说明书

本发明提供一种光子晶体器件逆向设计方法，在基于伴随变量法逆设计开孔位置的过程中，采用人工势场方法，避免逆设计过程中光子晶体孔之间的重叠，保证一定的加工工艺调节；也就是说，相较于传统方法直接对开孔的位置进行限制，本发明采用人工势场方法规范孔的位置，可以有效提高开孔位置的优化范围，进而可以在保证光子晶体器件的加工容差的前提下，提高设计出的光子晶体器件的性能。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种光子晶体器件逆向设计方法。

背景技术

光子晶体器件通常是多个重复单元的组合。在诸多光子晶体器件中，包含多个相同大小孔的光子晶体器件更容易加工制造。为提高光子晶体的加工容差，采用包含相同大小孔的光子晶体器件。相较于其他的光子晶体器件设计方法，比如直接二值搜索算法或基因算法，基于伴随变量法的光子晶体设计方法可以在更短时间内设计更大尺寸的光子晶体器件。

然而，在基于伴随变量法的光子晶体设计方法中，为保证光子晶体器件的加工容差以及避免光子晶体不同开孔之间出现重叠，通常需要对光子晶体孔的位置进行限制，这种限制会大幅降低光子晶体器件的优化范围，进而降低光子晶体器件的设计效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种光子晶体器件逆向设计方法，可以有效提高开孔位置的优化范围，并能在保证光子晶体的加工容差的前提下，提高设计出的光子晶体的性能。

一种光子晶体器件逆向设计方法，基于引入人工势场的伴随变量法获取光子晶体器件上各个开孔的位置，其中，伴随变量法为：

S1：基于当前的开孔位置获取光子晶体器件的品质因数后，判断品质因数是否小于设定阈值或达到迭代次数上限，若为是，当前的开孔位置为最终的开孔位置，若为否，进入S2；

S2：更新当前的开孔位置，并采用更新后的开孔位置重新执行S1，直到获取最终的开孔位置，其中，当前的开孔位置的更新方法为：

S21：分别将各开孔作为中心孔执行人工势场的获取操作，得到各开孔对应的人工势场，其中，人工势场的获取操作为：分别获取其余开孔与中心孔之间的人工势场强度，并将所有人工势场强度划分为水平分量和垂直分量，再将水平分量总和与垂直分量总和作为中心孔的人工势场；

S22：采用人工势场表征各开孔的位置，得到各开孔的人工势场坐标，再获取品质因数对人工势场坐标的偏导数；

S23：获取偏导数与设定学习速率的乘积，再将当前的开孔位置和所述乘积的和值作为更新后的开孔位置。

进一步地，各其余开孔与中心孔之间的人工势场强度E_apf的获取方法为：

其中，block_max为人工势场的设定减速距离，block_min为人工势场的设定禁止距离，ρ为当前开孔在中心孔极坐标系下的极径；

各其余开孔与中心孔之间的人工势场强度E_apf的水平分量dx_apf和垂直分量dy_apf的获取方法为：

dx_apf＝E_apf×cos(θ)

dy_apf＝E_apf×sin(θ)

其中，θ为当前开孔在中心孔极坐标系下的极角。

进一步地，各开孔的人工势场坐标L(p)分别表示为：

其中，x和y分别表示开孔在x和y方向上的实际位置，dx(x,y)表示位置为(x,y)的开孔的人工势场强度的水平分量，dy(x,y)表示位置为(x,y)的开孔的人工势场强度的垂直分量；