CN113128169A - 宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质。将对应参数曲线的宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，通过计算所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率及当前所述宽度渐变波导的传输效率，保持所述N个小段的宽度间隔不变调节参数曲线的形状，由于最花费计算时间的各个小段之间的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率已经预先计算好，只需要将改变参数曲线对应各个小段更新的长度间隔赋予每个所述小段对应已计好的波导本征模式，即可更新所述宽度渐变波导的传输效率。操作简单、计算速度快，大大方便了对宽度渐变波导的优化操作。

Description

宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质

技术领域

本申请实施例涉及但不限于光之集成芯片领域，尤其涉及宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质。

背景技术

宽度渐变波导是光子集成芯片中常用结构，广泛应用在前后元件不同结构波导的过渡中，也可以在模式转换、耦合器、波导交叉等结构中得到应用。一般的宽度渐变波导的宽度是线性变化的，因为这样的设计最为简单。但是为了达到低损耗，线性的宽度渐变波导长度要求较长，在一些对长度限制要求较为严格的应用中难以达到要求，因此需要设计非线性宽度渐变波导，例如双曲线型、椭圆型以及快速绝热型宽度变化等，但是目前的非线性宽度渐变波导的优化设计存在难以优化和设计优化时间过长的问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本申请实施例提供了一种宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质，能够降低宽度渐变波导优化设计的难度和减少设计优化的时间。

第一方面，本申请实施例提供了一种宽度渐变波导设计方法，包括：

获取参数曲线，所述参数曲线对应于宽度渐变波导的宽度随长度变化；

将所述宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，计算所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率；

获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的各波导本征模式，计算当前所述宽度渐变波导的传输效率；

保持所述N个小段的宽度间隔不变，修改所述参数曲线的形状，更新所述宽度渐变波导的传输效率。

第二方面，本申请实施例提供了一种处理装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请第一方面所述的宽度渐变波导设计方法。

第三方面，本申请实施例还提供了一种计算设备，包括本申请第二方面所述的处理装置。

第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行本申请第一方面的宽度渐变波导设计方法

本申请实施例包括：将对应参数曲线的宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，通过本征模展开计算所述每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，得到所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率，计算得到当前所述宽度渐变波导的传输效率，通过调节所述参数曲线形状对宽度渐变波的形状进行调节，调节时，保持所述N个小段的宽度间隔及所述预设长度范围、预设宽度范围不变，由于最花费计算时间的各个小段之间的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率已经预先计算好，只需要将改变参数曲线对应各个小段更新的长度间隔赋予每个所述小段对应已计好的波导本征模式，即可更新所述宽度渐变波导的传输效率。操作简单、计算速度快，大大方便了对宽度渐变波导的优化操作。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是本申请实施例中非线性的宽度渐变波导的结构视图；

图2是本申请一个实施例的宽度渐变波导设计方法的方法流程图；

图3是本申请另一个实施例的宽度渐变波导设计方法的方法流程图；

图4是步骤101一个实施例的方法流程图；

图5是本申请一个实施例的宽度渐变波导设计方法的参数曲线图；

图6是图5所示参数曲线对应的宽度渐变波导结构视图；

图7是图6所示宽度渐变波导的FDTD仿真结果图；

图8是图7的线性渐变波导的对比FDTD仿真结果图；

图9是本申请另一个实施例的宽度渐变波导设计方法的参数曲线图；

图10是图9所示参数曲线对应的宽度渐变波导结构视图；

图11是图10所示宽度渐变波导的FDTD仿真结果图；

图12是图11的线性渐变波导的对比FDTD仿真结果图；

图13是本申请第二方面的处理装置的原理框图；

图14是本申请第三方面的计算设备的原理框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。

宽度渐变波导用途较为广泛，目前被广泛应用于前后元件不同结构波导的过渡中，一般的宽度渐变波导的宽度是线性变化的，线性变化的宽度渐变波导计算简单，设计方便。本领域技术人员熟知的是，宽度渐变波导的长度越长，其损耗越容易降低，因此为了达到低损耗的要求，线性的宽度渐变波导的长度要求较长，但是一些对长度限制要求较为严格的应用中难以设计出符合要求的线性变化的宽度渐变波导。

因此，需要设计非线性的宽度渐变波导，例如，参照图1所示，本申请实施例中的非线性的宽度渐变波导，其宽度随长度的变化是非线性的。本领域常用的非线性的宽度渐变波导设计包括双曲线型、椭圆形以及快速绝热型宽度变化等。然而，由于非线性的宽度渐变波导在设计过程中计算较为复杂，在调整和优化过程中需要不断重复复杂的计算，存在设计困难和设计优化时间过长的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种宽度渐变波导的设计方法、装置及其计算机存储介质，能够降低宽度渐变波导优化设计的难度和减少设计优化的时间。

参照图2所示，本申请的第一方面，为本申请一个实施例提供的一种宽度渐变波导设计方法，包括但不限于以下步骤：

步骤101，获取参数曲线，所述参数曲线对应于宽度渐变波导的宽度随长度变化；

步骤102，将所述宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，计算所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率；

步骤103，获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的各波导本征模式，计算当前所述宽度渐变波导的传输效率；

步骤104，保持所述N个小段的宽度间隔不变，修改所述参数曲线的形状，更新所述宽度渐变波导的传输效率。

本实施例中，参照图5所示，步骤101中，所述参数曲线位于长度-宽度坐标系中，所述坐标系其横坐标对应于波导的长度，纵坐标对应于波导的宽度。本实施例中，横坐标和纵坐标的长度单位为μm；所述的预设长度范围为所需设计的宽度渐变波导的长度，即在所述长度-宽度坐标系中为(0，0)至(L，0)之间，本实施例中，所述预设宽度范围为所需设计的宽度渐变波导的宽度范围的一半，例如所需设计的宽度渐变波导预设的宽度范围为W_start至W_end，则上述预设宽度范围为W_start/2至W_end/2，即在所述长度-宽度坐标系中为(0，W_start/2)至(0，W_end/2)之间,这时设计的对象为宽度渐变波导横截面沿水平方向中轴一侧的形状，例如本实施例中设计的对象为宽度渐变波导横截面沿水平方向中轴上侧的形状。若宽度渐变波导的形状是沿水平方向上下对称的情况下，当确定宽度渐变波导横截面沿水平方向一侧的形状，即可确定宽度渐变波导的整体形状。在本实施例中，所述参数曲线表示宽度渐变波导横截面水平中轴线上侧的宽度随着长度的变化。

在所述长度-宽度坐标系的预设长度范围和预设宽度范围中生成一条参数曲线，为了便于对参数曲线的形状进行控制，在一实施例中，还包括用于控制所述参数曲线形状的曲线控制点，所述参数曲线对应于宽度渐变波导的宽度随长度变化，所述参数曲线为连接宽度渐变波导横截面上边缘首尾两点的曲线。在本实施例中的长度-宽度坐标系中，所述参数曲线的起始点的坐标为(0,W_start/2)，终止点的坐标为(L,W_end/2)。所述曲线控制点，为曲线控制测量中，为控制曲线形状而必须要设立的点，通过调节所述曲线控制点在长度-宽度坐标系中的坐标位置，即可控制参数曲线的形状。而通过上述参数曲线，即可确定宽度渐变波导的形状。所述曲线控制点可以根据不同的曲线类型设置，可以设置一个或两个以上的曲线控制点。

在上述步骤102中，将所述宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，其中每个小段之间的宽度变化为ΔW，其中N＝abs(W_end-W_start)/△W，W_end和W_start是渐变波导终点和起点的宽度，对应上述预设宽度范围W_start/2至W_end/2，将划分成N个小段的宽度渐变波导利用本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)进行仿真数值模拟，宽度变化ΔW的取值较小时，每一个小段被认为宽度接近不变，利用本征模展开首先会计算每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率。

待每小段长度确定，即可计算整体宽度渐变波导的传输效率，在上述步骤103中，获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，由于步骤102中已经计算好每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，因此，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的波导本征模式确定所述波导本征模式的相位信息，例如，将所述每个小段的前宽度W_i和后宽度W_i+1，作为自变量插值到所述调整后的参数曲线中，即可得到每个小段前宽度W_i对应的长度位置L_i，和后宽度W_i+1对应的长度位置L_i+1，每个小段的长度间隔ΔL_i＝L_i+1-L_i，(i＝1,2,…,N)。将每个小段的长度间隔ΔL_i代入到各自小段的对应的已经计算好的波导本征模式中，即可确定所述波导本征模式的相位信息，结合所述各截面间各波导本征模式的耦合效率构成完整的传输矩阵，快速计算得到当前所述宽度渐变波导的传输效率。

为了调整宽度渐变波导的形状以便设计出最优的宽度渐变波导，在上述步骤104中，通过调节曲线控制点坐标调节参数曲线的形状，当参数曲线的形状改变了后，对应的宽度渐变波导形状变化，现有技术中，当宽度渐变波导形状变化后，重新仿真计算宽度渐变波导的数字模拟花费的时间太多，而本实施例中，保持所述N个小段的宽度间隔ΔW及所述预设长度范围、预设宽度范围不变，即保持宽度渐变波导的长度、起始宽度和终止宽度不变，通过改变曲线控制点坐标而调节参数曲线的形状，由于通过曲线控制点对曲线的形状进行控制，调节十分方便，无需重建曲线公式及公式系数。由于宽度渐变波导整体的起始宽度和终止宽度不变，因此所述N个小段的宽度间隔ΔW也不变，参数曲线的形状变化只会影响到所述N个小段中每个小段的长度间隔，而步骤102中已经计算好每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，因此，只需要将因为参数曲线形状变化而改变的每个小段的长度间隔赋予已经计算好的波导本征模式中，即可快速更新宽度渐变波导的传输效率。由于所述每个小段的前宽度W_i和后宽度W_i+1(i＝1,2,…,N)不变，同时宽度渐变波导的宽度与所述参数曲线对应，因此将所述每个小段的前宽度W_i和后宽度W_i+1，作为自变量插值到所述调整后的参数曲线中，即可得到每个小段前宽度W_i对应的长度位置L_i，和后宽度W_i+1对应的长度位置L_i+1，每个小段的长度间隔ΔL_i＝L_i+1-L_i，(i＝1,2,…,N)。将每个小段的长度间隔ΔL_i代入到各自小段的对应的波导本征模式中，即可确定相位信息，结合上述步骤102中已经计算好的各截面间各波导本征模式耦合效率，即可构成完整的传输矩阵，快速计算耦合效率和整体宽度渐变波导的传输效率(计算时间一般的个人电脑运行在2s内)。操作简单、计算速度快，大大方便了对宽度渐变波导的优化操作，由于计算的速度快，曲线的形状调节方便可控有规律，便于对宽度渐变波导进行调整，有利于快速设计出传输效率最优的宽度渐变波导。

在另一实施例中，宽度渐变波导横截面沿水平方向也可以是非对称，例如，宽度渐变波导横截面沿水平方向的下侧为上侧宽度的倍数，例如为1/2或者宽度渐变波导横截面的一侧为直线，另一侧为参数曲线的形状，或者宽度渐变波导横截面沿水平方向中轴两侧的参数曲线不同。上述的参数曲线也可以表示宽度渐变波导整体宽度随长度的变化，例如宽度渐变波导的横截面形状为沿水平中轴线对称，这样宽度渐变波导整体宽度随着长度的变化即可确定宽度渐变波导整体的形状，在该实施例中，预设长度-宽度坐标系中的宽度范围为W_start至W_end，预设长度范围为0至L，述参数曲线的起始点的坐标为(0,W_start)，终止点的坐标为(L,W_end)。

另外，上述实施例中的参数曲线可以起于起始点，终于终止点的一段线段，另外也可以是将线形中的其中一段作为参数曲线，例如在圆弧线中截取预设长度范围和预设宽度范围之间的线段作为参数曲线。

参照图3所示，本申请一实施例中，还包括但不限于以下步骤：

步骤105，不断修改所述参数曲线的形状，直至所述宽度渐变波导的传输效率最优，获得对应的优选参数曲线。

在本实施例中，通过不断修改参数曲线的形状并仿真对应所述参数曲线形状的宽度渐变波导的传输效率，直至传输效率最优后，对应的参数曲线为优选参数曲线，所述优选参数曲线对应的宽度渐变波导为最优的宽度渐变波导形状。本发明一实施例中，通过改变所述参数曲线对应的曲线控制点坐标修改参数曲线的形状。

若最优的宽度渐变波导其传输效率仍然不理想或满足不了设计需求，则修改宽度渐变波导的预设整体长度L后再改变参数曲线及更新对应的宽度渐变波导的传输效率。由于不用改变每个小段的波导本征模型，计算速度快，便于调整得到最优的宽度渐变波导形状。

参照图4所示，本申请一实施例中，步骤101中的所述获取在长度-宽度坐标系中预设长度范围和预设宽度范围内的参数曲线，包括但不限于以下步骤：

步骤201，建立宽度渐变波导长度、宽度方向对应的长度-宽度坐标系；

步骤202，在所述长度-宽度坐标系中随机生成一条参数曲线，所述参数曲线在设定的长度范围和宽度范围内。

本实施例中，参数曲线的曲线控制点坐标是随机生成的，因此参数曲线的形状也是随机的。当然，也可以根据设定的预设宽度范围和预设长度范围由系统自动生成默认的参数曲线。

生成参数曲线后，通过调节曲线控制点的坐标改变参数曲线的形状，由于曲线控制点的坐标为2维数组，因此可以很方便地进行调节，例如可以人为调节曲线控制点坐标的数值调整，也可以通过设置系统算法进行调节，例如通过设置数值改变的步长自动进行遍历等。

为了提高优化的速度，本申请一实施例中，通过优化算法对参数曲线进行优化，例如可以采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)或神经网络算法对参数曲线进行优化。

粒子群算法是一种基于种群的搜索过程，其中每个个体称作微粒，定义为在D维搜索空间中待优化问题的潜在解，保存有其历史最优位置和所有粒子的最优位置的记忆，以及速度。在每一演化代，微粒的信息被组合起来调整速度关于每一维上的分量，继而被用来计算新的微粒位置。微粒在多维搜索空间中不断改变它们的状态，直到到达平衡或最优状态，或者超过了计算限制为止。

本申请一实施例中，采用粒子群优化算法优化参数曲线，首先将曲线控制点的坐标作为随机初始化粒子初始化种群和速度，通过计算对应的宽度渐变波导的传输效率寻找个体极值和群体极值，不断更新个体的速度和位置，直至获得满足终止条件，得到最优宽度渐变波导的传输效率对应的曲线控制点的坐标，从而确定对应的参数曲线和宽度渐变波导形状。

本申请另一实施例中，采用神经网络算法优化参数曲线，将所需设计宽度渐变波导的预设长度、预设宽度范围和宽度间隔输入至训练好的神经网络算法中，获得最优宽度渐变波导传输效率对应的参数曲线。其中神经网络模型训练需要构建训练集，包括多个宽度渐变波导长度宽度参数及其对应的最优传输效率的参数曲线。

上述粒子群优化算法以及神经网络算法均是本领域技术人员的已知技术，在此不再赘述。

参照图5所示，本申请一实施例中，所述参数曲线采用贝塞尔(Bezier)曲线，所述参数曲线的起始点的坐标为(0,W_start/2)，终止点的坐标为(L,W_end/2)。贝塞尔曲线包括用于控制参数曲线形状的第一曲线控制点A和第二曲线控制点B。通过贝塞尔曲线对宽度渐变波导的形状进行调节，对第一曲线控制点A和第二曲线控制点B有规律地移动，参数曲线将产生类似橡皮筋伸引一样的变换，通过微调第一曲线控制点A和第二曲线控制点B的坐标，能有方向地改变参数曲线的形状，便于下次的参数曲线调整。

本申请一实施例中，所述贝塞尔曲线的控制点始终位于预设长度范围、预设宽度范围内。以确保参数曲线优化时宽度渐变波导的宽度为正并且不超过W_end。

另外，在本申请的其他实施例中，也可以通过其他参数曲线调整宽度渐变波导的形状，例如还可以采用圆弧拼接曲线。

本申请一种宽度渐变波导设计方法的一个实施例，所需设计宽度渐变波导的设计参数为芯层高度220nm，从W_start＝0.5μm变化到W_end＝5μm，长度为L＝30μm。相应地，长度-宽度坐标系的预设长度范围是0至30μm，预设宽度范围是0.25μm至2.5μm，在所述预设长度范围和预设宽度范围的矩形范围内随机生成一条起始点的坐标为(0,W_start/2)，终止点的坐标为(L,W_end/2)的3次贝塞尔曲线作为参数曲线，所述贝塞尔曲线包括两个曲线控制点，位于坐标(0,0),(0,W_end/2),(L,W_end/2)和(L,0)四个点组成的矩形之中，通过该参数曲线确定宽度渐变波导的结构形状。

然后通过本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)进行仿真数值模拟，优先将所述宽度渐变波导进行N个小段的划分，两个截面的宽度间隔ΔW为50nm，因此则只需要将所述渐变波导等间隔划分为90段即可得到宽度线性变化的91个截面。将每个小段的前宽度W_i和后宽度W_i+1(i＝1,2,…,N)为自变量插值到所述调整后的参数曲线中即可得到前宽度W_i对应的长度位置L_i，和后宽度W_i+1对应的长度位置L_i+1，从而每个小段的长度间隔ΔL_i＝L_i+1-L_i，(i＝1,2,…,N)。采用本征模展开计算上述N个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，进而得到宽度渐变波导的各截面间各波导本征模式的耦合效率。获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，由于已经计算好每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，因此，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的波导本征模式确定所述波导本征模式的相位信息，结合所述各截面间各波导本征模式的耦合效率构成完整的传输矩阵，快速计算得到当前参数曲线对应的所述宽度渐变波导的传输效率。当改变参数曲线的曲线控制点，会使参数曲线的形状发生改变，保持所述N个小段的宽度间隔ΔW及所述预设长度范围、预设宽度范围不变，参数曲线的形状变化只改变上述每个小段的长度间隔ΔLi，因此只需要将所述的长度间隔ΔLi赋予已经计算好的各个小段的波导本征模式中即可迅速得到对应的宽度渐变波导的传输效率，本实施例中采用个人电脑运行的计算时间在1.3s。基于此，使用粒子群优化算法，以1550nm波长基模传输透射率为目标，对所述贝塞尔曲线的中间2个曲线控制点A、B一共4个参数组成的4维数组进行优化和遍历计算，得到如图5所示的优选参数曲线，对应图5优选参数曲线的宽度渐变波导结构如图6所示。使用FDTD(时域有限差分法,Finite-Difference Time-Domain)仿真验证的渐变波导损耗如图7所示，可以看到在C波段损耗小于0.005dB。作为对比，如果采用线性的宽度渐变波导，则C波段的损耗FDTD仿真结果损耗在0.11～0.13dB，如图8所示，可见，通过本申请宽度渐变波导设计方法设计的宽度渐变波导不仅运算速度快，而且相对于线性的宽度渐变波导在同等长度下传输效率高、传输损耗低。

本实施例中设计的宽度渐变波导可以应用多种波导结构，例如用于连接普通波导和探测器结构。

本申请一种宽度渐变波导设计方法的另一个实施例，所需设计宽度渐变波导为变脊型硅波导结构，设计参数为：芯层高度220nm，从W_start＝0.5μm变化到W_end＝8μm，长度为L＝100μm。相应地，长度-宽度坐标系的预设长度范围是0至100μm，预设宽度范围是0.25μm至4μm，在所述预设长度范围和预设宽度范围的矩形范围内随机生成一条起始点的坐标为(0,W_start/2)，终止点的坐标为(L,W_end/2)的3次贝塞尔曲线作为参数曲线，所述贝塞尔曲线包括两个曲线控制点，位于坐标(0,0),(0,W_end/2),(L,W_end/2)和(L,0)四个点组成的矩形之中，通过该参数曲线确定宽度渐变波导的结构形状。

然后通过本征模展开(Eigenmode Expansion,EME)进行仿真数值模拟，优先将所述宽度渐变波导进行N个小段的划分，两个截面的宽度间隔ΔW为50nm，因此则只需要将所述渐变波导等间隔划分为150段即可得到宽度线性变化的151个截面。将每个小段的前宽度W_i和后宽度W_i+1(i＝1,2,…,N)为自变量插值到所述调整后的参数曲线中即可得到前宽度W_i对应的长度位置L_i，和后宽度W_i+1对应的长度位置L_i+1，从而每个小段的长度间隔ΔL_i＝L_i+1-L_i，(i＝1,2,…,N)。采用本征模展开计算上述N个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，进而得到宽度渐变波导的各截面间各波导本征模式的耦合效率。获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，由于已经计算好每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，因此，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的波导本征模式确定所述波导本征模式的相位信息，结合所述各截面间各波导本征模式的耦合效率构成完整的传输矩阵，快速计算得到当前参数曲线对应的所述宽度渐变波导的传输效率。当改变参数曲线的曲线控制点，会使参数曲线的形状发生改变，保持所述N个小段的宽度间隔ΔW及所述预设长度范围、预设宽度范围不变，参数曲线的形状变化只改变上述每个小段的长度间隔ΔLi，因此只需要将所述的长度间隔ΔLi赋予已经计算好的各个小段的波导本征模式中即可迅速得到对应的宽度渐变波导的传输效率(一般的个人电脑运行在2s内)，基于此，使用粒子群优化算法，以1550nm波长基模传输透射率为目标，对所述贝塞尔曲线的中间2个曲线控制点A、B一共4个参数组成的4维数组进行优化和遍历计算，得到如图9所示的优选参数曲线，对应图9优选参数曲线的宽度渐变波导结构如图10所示。使用FDTD仿真验证的渐变波导损耗如图11所示，可以看到在C波段损耗小于0.002dB。作为对比，如果采用线性的渐变波导，则C波段的损耗FDTD仿真结果损耗在0.06～0.08dB，如图12所示，可见，通过本申请宽度渐变波导设计方法设计的宽度渐变波导不仅运算速度快，而且相对于线性的宽度渐变波导在同等长度下传输效率高、传输损耗低。

参照图13所示，本申请的第二方面的一个实施例，提供了一种处理装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，执行上述实施例中的宽度渐变波导设计方法，例如，执行图2所示的步骤101至104、图3所示的步骤101至105、图4所示的步骤201至202。

参照图14所述，本申请的第三方面的一个实施例，提供了一种计算设备，包括如上述图13所示的处理装置。其中，所述计算设备可以为个人电脑、平板、手机等本地计算设备，也可以是云服务器、局域网服务器、云主机等云端计算设备。

本申请的第四方面的一个实施例，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，例如，被图13中的一个处理器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的宽度渐变波导设计方法方法，例如，执行以上描述的图2所示的步骤101至104、图3所示的步骤101至105、图4所示的步骤201至202。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (16)

1.一种宽度渐变波导设计方法，其特征在于，包括：

获取参数曲线，所述参数曲线对应于宽度渐变波导的宽度随长度变化；

将所述宽度渐变波导划分为等宽度间隔的N个小段，计算所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率；

获取所述N个小段对应于所述参数曲线的长度间隔，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的各波导本征模式，计算当前所述宽度渐变波导的传输效率；

保持所述N个小段的宽度间隔不变，修改所述参数曲线的形状，更新所述宽度渐变波导的传输效率。

2.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，还包括：

不断修改所述参数曲线的形状，直至所述宽度渐变波导的传输效率最优，获得对应的优选参数曲线。

3.根据权利要求1或2所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，修改所述参数曲线的形状，包括：

通过修改所述参数曲线的曲线控制点坐标，对所述参数曲线的形状进行修改。

4.根据权利要求2所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述不断修改所述参数曲线的形状，包括：

通过优化算法修改所述参数曲线的曲线控制点坐标，优化所述参数曲线的形状。

5.根据权利要求4所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述优化算法为粒子群优化算法或神经网络算法。

6.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述计算所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率，包括：

通过本征模展开计算所述每个小段的波导本征模式及相邻两个所述小段的波导本征模式之间的耦合效率，得到所述宽度渐变波导各截面间各波导本征模式的耦合效率。

7.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的各波导本征模式，计算当前所述宽度渐变波导的传输效率，包括：

将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的各波导本征模式确定所述波导本征模式的相位信息，结合所述各截面间各波导本征模式的耦合效率构成完整的传输矩阵，得到当前所述宽度渐变波导的传输效率；

所述更新所述宽度渐变波导的传输效率，包括：

获得各个所述小段对应于调节后参数曲线的长度间隔，将所述长度间隔赋予每个所述小段对应已计算好的波导本征模式确定所述各波导本征模式的相位信息，结合所述各截面间各波导本征模式的耦合效率构成完整的传输矩阵，更新所述宽度渐变波导的传输效率。

8.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述参数曲线为连接宽度渐变波导横截面上边缘首尾两点的曲线。

9.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述参数曲线包括起始点和终止点，所述起始点的坐标为(0,W_start/2)，终止点的坐标为(L,W_end/2)，其中W_start为预设的宽度渐变波导的起始宽度，所述W_end为预设的宽度渐变波导的终止宽度，L为预设宽度渐变波导的长度范围。

10.根据权利要求1或9所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述获得各个所述小段对应于调节后参数曲线的长度间隔，包括：

将各个所述小段的前后宽度作为自变量插值到调节后的参数曲线中，得到分别对应前后宽度的两个长度位置，所述两个长度位置的差值为当前小段对应调节后参数曲线的长度间隔。

11.根据权利要求1所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述获取参数曲线，包括：

建立宽度渐变波导长度、宽度方向对应的长度-宽度坐标系；

在所述长度-宽度坐标系中随机生成一条参数曲线，所述参数曲线在设定的长度范围和宽度范围内。

12.根据权利要求1或9或11所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述参数曲线为贝塞尔曲线，还包括两个所述用于控制所述塞尔曲线形状的第一曲线控制点和第二曲线控制点。

13.根据权利要求11所述的宽度渐变波导设计方法，其特征在于，所述参数曲线为贝塞尔曲线，还包括两个所述用于控制所述塞尔曲线形状的第一曲线控制点和第二曲线控制点，所述第一曲线控制点和第二曲线控制点的坐标在所述设定长度范围和所述设定宽度范围内。

14.一种处理装置，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至10中任意一项所述的宽度渐变波导设计方法。

15.一种计算设备，其特征在于，包括权利要求14所述的处理装置。

16.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行权利要求1至13中任意一项所述的宽度渐变波导设计方法。

Images