本發(fā)明涉及集成光子學(xué)，特別涉及一種片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法及片上交叉光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，光子集成芯片因其在高速數(shù)據(jù)傳輸、低功耗運(yùn)算以及高集成度等方面的顯著優(yōu)勢，正成為下一代光通信、光計(jì)算和光傳感等領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。相比傳統(tǒng)電子芯片，光子集成芯片利用光信號進(jìn)行信息傳輸和處理，能夠有效降低能耗，同時(shí)提升數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬。因此，高度集成、高效能的光子器件設(shè)計(jì)是推動(dòng)光子集成芯片發(fā)展的關(guān)鍵，其中，光波導(dǎo)的高密度互連技術(shù)尤為重要。
2、在光子集成芯片內(nèi)部，不同功能單元之間需要通過光波導(dǎo)進(jìn)行信號傳輸，而在復(fù)雜光路設(shè)計(jì)中，多個(gè)光信號通道往往需要相互交叉，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的布局和更高效的光路設(shè)計(jì)。因此，交叉光波導(dǎo)作為一種核心結(jié)構(gòu)，在片上光互連中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。理想的交叉光波導(dǎo)需要具備緊湊的尺寸、高透過率和寬帶特性，以滿足高密度光子集成的需求。然而，現(xiàn)有的交叉光波導(dǎo)設(shè)計(jì)仍然存在諸多限制，難以同時(shí)兼顧高集成度與制造工藝的可行性。
3、目前，常見的交叉光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要包括十字交叉方案，該方案通常采用兩根直波導(dǎo)通過中間擴(kuò)展部分直接交叉，或通過反向設(shè)計(jì)優(yōu)化交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)。具體而言，最簡單的方式是讓兩根直波導(dǎo)直接交叉，并對形成的“十字”結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，通常需要10微米乘10微米的結(jié)構(gòu)區(qū)域。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、加工工藝成熟，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較低的損耗和寬帶特性。然而，由于該結(jié)構(gòu)的交叉角度為90度，其占用面積較大，不利于高密度集成；此外，通過反向設(shè)計(jì)優(yōu)化交叉區(qū)域結(jié)構(gòu)的交叉光波導(dǎo)，雖然尺寸略有減少，大約為4微米乘4微米的區(qū)域，但交叉角度依舊為90度，也很難做到高密度集成。
4、為了減少交叉光波導(dǎo)的尺寸占用，提高光子集成芯片的集成度，一些設(shè)計(jì)方案嘗試通過減少交叉角度來實(shí)現(xiàn)更緊湊的布局。然而，在小角度交叉條件下，光信號的模式匹配問題變得更加復(fù)雜，容易引入額外的模式耦合效應(yīng)，影響器件的整體性能。因此，在部分應(yīng)用場景下，三維光路互連集成芯片方案也被提出，以利用不同的波導(dǎo)層（如硅-二氧化硅-硅的“三明治”結(jié)構(gòu)）或者光子晶體結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)空間上的光信號分隔，從而避免波導(dǎo)交叉的需求。然而，三維光波導(dǎo)加工涉及復(fù)雜的層疊結(jié)構(gòu)，制造成本高昂，并且對工藝精度要求極高，難以在大規(guī)模生產(chǎn)中普及。
5、綜上所述，現(xiàn)有交叉光波導(dǎo)技術(shù)主要存在以下不足：
6、1.占用面積較大：傳統(tǒng)十字交叉波導(dǎo)由于交叉角度較大，限制了高密度集成的可行性。
7、2.小角度交叉設(shè)計(jì)復(fù)雜：當(dāng)交叉角度較小時(shí)，波導(dǎo)間的模式匹配和耦合問題變得更加顯著，影響器件的穩(wěn)定性。
8、3.三維加工難度大：雖然三維光路設(shè)計(jì)能夠避免波導(dǎo)交叉，但其制造工藝復(fù)雜，成本較高，難以滿足大規(guī)模制造需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法及片上交叉光波導(dǎo)，可以解決現(xiàn)有交叉光波導(dǎo)占用面積較大、小角度交叉設(shè)計(jì)復(fù)雜以及三維加工難度大的問題。
2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
3、將兩根直波導(dǎo)交叉，形成交叉角度小于90度的交叉光波導(dǎo)；
4、對交叉光波導(dǎo)的交叉區(qū)域進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，使交叉區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)小于4微米乘4微米；
5、采用粒子群優(yōu)化算法，對交叉區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以改變交叉區(qū)域內(nèi)的材料折射率分布，獲取交叉光波導(dǎo)的光透過率最大且交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)滿足上下左右對稱結(jié)構(gòu)時(shí)交叉區(qū)域內(nèi)的材料折射率分布，并將對應(yīng)的交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為交叉區(qū)域的目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)；
6、以目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)再次設(shè)計(jì)交叉光波導(dǎo)的交叉區(qū)域。
7、可選的，所述粒子群優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)以交叉光波導(dǎo)的光透過率最大為目標(biāo)建立得到；
8、所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)通過以下步驟獲得：
9、s1、初始化粒子群：在初步設(shè)計(jì)的交叉區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)生成若干個(gè)初始粒子，每個(gè)粒子代表一種可能的材料折射分布，每種材料折射分布對應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)；
10、s2、計(jì)算光透過率：計(jì)算每種材料折射分布下交叉波導(dǎo)的光透過率，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)評估優(yōu)化度；
11、s3、更新粒子速度和位置：使每個(gè)粒子根據(jù)自身的局部最優(yōu)解以及整個(gè)粒子群的全局最優(yōu)解進(jìn)行位置調(diào)整，以朝向最優(yōu)解收斂；
12、s4、迭代優(yōu)化：重復(fù)步驟s2和s3，直到滿足收斂條件，得到最優(yōu)解，收斂條件為透過率達(dá)到預(yù)設(shè)百分比或迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)；
13、s5、根據(jù)最優(yōu)解獲取目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
14、可選的，所述交叉光波導(dǎo)的交叉角度為20°。
15、可選的，所述交叉區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為2微米乘2微米。
16、可選的，所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)為2微米×1.45微米。
17、可選的，所述以目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)再次設(shè)計(jì)交叉光波導(dǎo)的交叉區(qū)域，包括：
18、將目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的交叉區(qū)域內(nèi)納米級的特征區(qū)域替換為矩形單元，并將矩形單元的長度固定為2微米，使寬度在20納米~30納米范圍內(nèi)變化；
19、其中，納米級的特征區(qū)域?yàn)榻徊鎱^(qū)域內(nèi)線寬小于10納米的區(qū)域。
20、可選的，所述交叉光波導(dǎo)的波長為1550納米時(shí)，所述預(yù)設(shè)百分比取值95%。
21、本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種片上交叉光波導(dǎo)，所述片上交叉光波導(dǎo)通過如上述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到。
22、本發(fā)明所提供的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，至少具有以下有益效果：
23、通過將兩根直波導(dǎo)交叉，形成交叉角度小于90度的交叉光波導(dǎo)，并對交叉光波導(dǎo)的交叉區(qū)域進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，使交叉區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)小于4微米乘4微米，實(shí)現(xiàn)了小角度交叉設(shè)計(jì)，保持緊湊的器件尺寸，有助于提升光子集成芯片的整體集成度；然后通過粒子群優(yōu)化算法，對交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以改變交叉區(qū)域內(nèi)的材料折射率分布，獲取交叉光波導(dǎo)的光透過率最大且交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)滿足上下左右對稱結(jié)構(gòu)時(shí)交叉區(qū)域內(nèi)的材料折射率分布，并將對應(yīng)的交叉區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為交叉區(qū)域最終的目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于此，來完成交叉光波導(dǎo)交叉區(qū)域的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了交叉區(qū)域的光場分布，從而可以減少模式失配效應(yīng)，提高光信號的傳輸穩(wěn)定性，無需引入額外的三維加工步驟，降低了制造復(fù)雜性和成本。
1.一種片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述粒子群優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)以交叉光波導(dǎo)的光透過率最大為目標(biāo)建立得到；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述交叉光波導(dǎo)的交叉角度為20°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述交叉區(qū)域的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為2微米乘2微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)為2微米×1.45微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述以目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)再次設(shè)計(jì)交叉光波導(dǎo)的交叉區(qū)域，包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述交叉光波導(dǎo)的波長為1550納米時(shí)，所述預(yù)設(shè)百分比取值95%。
8.一種片上交叉光波導(dǎo)，其特征在于，所述片上交叉光波導(dǎo)通過如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的片上交叉光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到。