CN114731209A

CN114731209A - 多通道集成光子波长解复用器

Info

Publication number: CN114731209A
Application number: CN202080078499.1A
Authority: CN
Inventors: M.舒伯特; B.阿道夫; J.卢
Original assignee: X Development LLC
Current assignee: X Development LLC
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-07-08
Also published as: US11824631B2; TW202127824A; US10862610B1; JP2023500571A; WO2021096647A1; TWI774114B; US20220131632A1; US11258527B2; JP7449374B2; EP4026265A1; KR20220098770A; EP4026265A4; US20210143930A1

Abstract

一种多通道光子解复用器，包括：输入区域，接收包括四个不同波长通道的多通道光信号；四个输出区域，每个输出区域适于接收从多通道光信号解复用的四个不同波长通道中的对应一个；以及色散区域，光学设置在输入区域和四个输出区域之间。色散区域包括非均匀散布以形成多个界面的第一材料和第二材料，其中所述多个界面中的每个界面对应于色散区域的折射率的改变，并且共同构造色散区域以从多通道光信号中光学分离四个不同波长通道中的每一个，并且分别将四个不同波长通道中的每一个引导到四个输出区域中的对应一个。

Description

多通道集成光子波长解复用器

相关申请的交叉引用

本申请基于2019年11月11日提交的第16/679,579号美国申请，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及光子设备，具体地但不排他地，涉及光复用器和解复用器。

背景技术

光纤通信通常用于经由已经被调制以运载信息的光将信息从一个地方传输到另一个地方。例如，许多电信公司使用光纤来传输电话信号、互联网通信和有线电视信号。但是部署用于光纤通信的光纤的成本可能是令人望而却步的。因此，已经开发了更有效地使用单根光纤内可用带宽的技术。波分复用就是这样一种技术，它使用不同的波长将多个光载波信号捆绑到单根光纤上。

附图说明

参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中，除非另有说明，否则在各个视图中，相同的附图标记指代相同的部件。并非元素的所有实例都必须被标记，以免在适当的地方使附图混乱。附图不一定按比例绘制，相反，重点在于说明所描述的原理。

图1是示出根据本公开实施例的用于经由光信号在两个光通信设备之间进行光通信的系统的功能框图。

图2A和图2B分别示出了根据本公开实施例的示例解复用器和复用器。

图2C示出了根据本公开实施例的多通道光信号的示例不同波长通道。

图3A-图3D示出了根据本公开实施例的示例光子解复用器的不同视图。

图4A-图4B示出了根据本公开实施例的示例光子解复用器的色散区域(dispersive region)的更详细的横截面图。

图5是示出根据本公开实施例的用于生成光子集成电路的设计的系统的功能框图。

图6A示出了根据本公开实施例的描述光子集成电路的说明性模拟环境。

图6B示出了根据本公开实施例的光子集成电路的示例操作模拟。

图6C示出了根据本公开实施例的通过反向传播损失值的模拟环境内的示例伴随模拟(adjoint simulation)。

图7A是示出根据本公开实施例的用于操作和伴随模拟的示例时间步的流程图。

图7B是示出根据本公开实施例的从操作模拟和伴随模拟确定的梯度之间的关系的图。

图8示出了根据本公开实施例的用于生成光子集成电路的设计的示例方法。

具体实施方式

本文描述了包括多通道光子解复用器的光子集成电路的实施例，以及用于生成光子集成电路的设计的方法。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践，或者利用其他方法、组件、材料等来实践。在其他实例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊特定方面。

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书各处的出现不一定都指相同实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

波分复用及其变体(例如，密集波分复用、粗波分复用等)通过将多个光载波信号捆绑到单根光纤上来利用光纤的带宽。一旦多个载波信号被捆绑在一起，它们就通过单根光纤从一个地方传输到另一个地方，在那里它们可以被解复用以被光通信设备读出。然而，从成本、尺寸等方面来看，将载波信号彼此去耦合的设备仍然是令人望而却步的。

此外，光子设备(诸如用于光通信的那些)的设计传统上是经由传统技术来设计的，有时通过简单的猜测和检查方法或人工引导的网格搜索来确定，其中来自预定设计或构建块的少量设计参数被调整以用于对特定应用的适用性。然而，实际上，根据设备的尺寸和功能，这些设备的设计参数可能从数百到数十亿或更多。因此，随着光子设备功能的增加和制造公差的改进以允许更小的设备特征尺寸，通过优化的设备设计来充分利用这些改进变得越来越重要。

本文描述了具有可通过逆向设计过程获得的设计的光子集成电路(例如，多通道光子解复用器和/或复用器)的实施例。更具体地，本文实施例中描述的技术利用基于梯度的优化结合第一原理模拟，根据对预期支配(govern)光子集成电路的操作的底层物理的理解来生成设计。应当理解，在其他实施例中，也可以使用没有基于梯度的技术的光子集成电路的设计优化。有利的是，本文描述的实施例和技术不限于用于光子设备设计的传统技术(其中，基于对特定应用的适用性来调整预定构建块的少量设计参数)。相反，本文描述的基于第一原理的设计不一定依赖于人类直觉，并且通常可以得到在性能、尺寸、鲁棒性或其组合方面超过当前最先进设计的设计。此外，本文描述的实施例和技术可以提供几乎无限数量的设计参数的可扩展优化，而不是由于传统技术而局限于少量的设计参数。

图1是示出根据本公开实施例的用于经由光信号110在光通信设备101-A和101-B之间进行光通信(例如，经由波分复用或其他技术)的系统100的功能框图。更一般地，光通信设备101-A被配置为通过将来自一个或多个光源的光调制成随后经由光纤、光导、波导或其他光子设备从光通信设备101-A传输到光通信设备101-B的多通道光信号110(例如，包括多个不同波长通道的单个光信号)来传输信息。光通信设备101-B接收多通道光信号110，并从多通道光信号110中解复用多个不同波长通道中的每一个，以提取传输的信息。应当理解，在一些实施例中，光通信设备101-A和101-B可以是不同的和独立的设备(例如，经由一根或多根光纤通信地耦合到独立的光收发器或接收器的光收发器或发射器)。然而，在其他实施例中，光通信设备101-A和101-B可以是单个组件或设备(例如，智能手机、平板电脑、计算机、光学设备等)的一部分。例如，光通信设备101-A和101-B可以都是单片集成电路上的构成组件，它们经由嵌入在单片集成电路内并且适于在光通信设备101-A和101-B之间运载光信号110或者以其他方式在一个地方和另一个地方之间传输光信号的波导彼此耦合。

在示出的实施例中，光通信设备101-A包括控制器105、一个或多个接口设备107(例如，光纤耦合器、光导、波导等)、复用器(mux)、解复用器(demux)或其组合109、一个或多个光源111(例如，发光二极管、激光器等)、以及一个或多个彼此耦合的光传感器113(例如，光电二极管、光电晶体管、光敏电阻等)。控制器包括一个或多个处理器115(例如，一个或多个中央处理单元、专用电路、现场可编程门阵列或其他)和存储器117(例如，诸如DRAM和SAM的易失性存储器，诸如ROM、闪存的非易失性存储器等)。应当理解，光通信设备101-B可以包括与光通信设备101-A相同或相似的元件，为了清楚起见，已经省略了这些元件。

控制器105协调光通信设备101-A的操作，用于发送和/或接收光信号110(例如，具有多个不同波长通道的多通道光信号或其他)。控制器105包括当由控制器105执行时使得控制器105和/或光通信设备101-A执行操作的软件(例如，包括在耦合到处理器115的存储器117中的指令)和/或硬件逻辑(例如，专用集成电路、现场可编程门阵列等)。

在一个实施例中，控制器105可以编排光通信设备101-A的操作，以使光源103生成多个不同波长通道，其中这些通道经由mux/demux 109被复用成多通道光信号110，该多通道光信号110随后经由接口设备107被传输到光通信设备101-B。换句话说，光源111可以输出具有不同波长(例如，1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1511nm、1531nm、1551nm、1571nm或其他)的光，这些光可以经由控制器105被调制或脉动(pulse)，以生成表示信息的多个不同波长通道。多个不同波长通道随后经由mux/demux 109被组合或以其他方式复用成多通道光信号110，该多通道光信号110经由接口设备107被传输到光通信设备101-B。在相同或另一实施例中，控制器105可以编排光通信设备101-A的操作，以使得经由mux/demux 109从经由接口设备107从光通信设备101-B接收的多通道光信号110中解复用多个不同波长通道。

应当理解，在一些实施例中，光通信设备101-A和/或101-B的特定元件可能已经被省略，以避免模糊本公开的特定方面。例如，光通信设备101-A和101-B可以包括放大电路、透镜或组件，以便于发送和接收光信号110。还应当理解，在一些实施例中，光通信设备101-A和/或101-B可以不必包括图1中所示的所有元件。例如，在一个实施例中，光通信设备101-A和/或101-B是作为中间设备操作的无源设备，其中该中间设备可以无源地将多个不同波长通道复用成多通道光信号110和/或从多通道光信号110中解复用多个不同波长通道。

图2A和图2B分别示出了根据本公开实施例的示例解复用器220和复用器250。解复用器220和复用器250是图1所示的mux/demux 109的可能实施例，并且可以是集成光子电路、硅光子设备或其他的一部分。

如图2A所示，解复用器220包括输入区域202和多个输出区域204。解复用器220被配置为经由输入区域202(例如，可以对应于图1所示的接口设备107的波导)接收多通道光信号110，其中该信号包括多个不同波长通道(例如，Ch.1、Ch.2、Ch.3、…、Ch.N，每一个具有分别对应于λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N的中心波长)，以将多个不同波长通道中的每一个从多通道光信号110中光学分离，并将多个不同波长通道中的每一个分别引导到多个输出区域204(例如，可以对应于图1所示的接口设备107的多个波导)中对应的一个输出区域。更具体地，在示出的实施例中，每个输出区域接收多通道光信号的对应于或者以其他方式表示可以作为多个光信号(例如，λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N)输出的多个不同波长通道之一的一部分。多个输出区域可以各自耦合到相应的光传感器(例如，对应于图1所示的光传感器113)，该光传感器可以用于将从多通道光信号110解复用的光信号转换成电信号以供进一步处理。

在图2B所示的实施例中，复用器250包括多个输入区域254和输出区域252。复用器被配置为接收多个不同的光信号(例如，λ₁、λ₂、λ₃、…、λ_N)，每个光信号位于多个输入区域254(例如，可以对应于图1所示的接口设备107的多个波导)中的相应一个处。复用器250被构造或以其他方式被配置为将多个不同波长通道中的每一个光学组合(即，复用)成多通道光信号110，该多通道光信号110被引导到输出区域252(例如，可以对应于图1所示的接口设备107的波导)。应当理解，在一些实施例中，图2A所示的解复用器220和图2B所示的复用器250可以是双向的，使得每个设备可以充当解复用器和复用器两者。

图2C示出了根据本公开实施例的多通道光信号(例如，Ch.N是图1、图2A和图2B所示的多通道光信号110)的示例不同波长通道。该示例通道可以表示包括在多通道光信号的多个不同波长通道中的单独通道，该多通道光信号可以被图2A的解复用器220解复用和/或被图2B的复用器250复用。每个不同波长通道可以具有不同的中心波长(λ_N)，包括1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1511nm、1531nm、1551nm或1571nm中的至少一个，或其他。在图2C所示的实施例中，不同波长通道具有大约13nm宽的通道带宽212。然而，在其他实施例中，通道带宽可以不同于13nm宽。相反，通道带宽可以被认为是可配置的参数，其取决于图1的mux/demux 107、图2A的解复用器220和/或图2B的复用器250的结构。例如，在一些实施例中，多个不同波长通道中的每一个可以共享对应于13nm或其他的公共带宽。参考回图2C，通道带宽212可以被定义为通带区域213的宽度(即，被定义为在PB₁和PB₂之间的区域)。通带区域213可以表示解复用器或复用器的近似功率传输。应当理解，在一些实施例中，通带区域213可以包括如图2C所示的波纹(ripple)，其对应于通带区域212内的波动(fluctuation)。在一个或多个实施例中，通带区域内的波纹可以是+/-2dB或更小、+/-1dB或更小、+/-0.5dB或更小，或其他。在一些实施例中，通道带宽212可以由通带区域212来定义。在其他实施例中，通道带宽212可以被定义为阈值(例如，dB_th)以上的测量功率。例如，图2A中示出的解复用器220可以从多通道光信号110中光学分离通道N，并且对于通道N具有对应的通道带宽，该通道带宽等于传输到映射到通道N(即，λ_N)的输出区域204的阈值以上的波长范围。在相同或其他实施例中，当优化设计时，也可以考虑通道(即，由通道带宽212定义的)的隔离。隔离可以被定义为通带区域212和阻带区域(例如，小于SB₁和大于SB₂的区域)之间的比率。还应当理解，过渡带区域(例如，SB₁和PB₁之间的第一过渡带区域以及PB₂和SB₂之间的第二过渡带区域)是示例性的，并且为了说明的目的可能被夸大了。在一些实施例中，光子解复用器设计的优化还可以包括过渡带区域的斜率、宽度等的目标度量。

图3A-图3D示出了根据本公开实施例的示例光子解复用器320的不同视图。光子解复用器320是图1中所示的mux/demux 109和图2A中所示的解复用器220的一种可能的实施方式。还应当理解，尽管此后的讨论可以针对能够从多通道光信号中解复用多个不同波长通道的光子集成电路，但是在其他实施例中，根据本公开的实施例，解复用器(例如，解复用器320)也可以或者可替代地能够将多个不同波长通道复用为多通道光信号。

图3A示出了解复用器320沿着由解复用器320的宽度321和长度323限定的有源层(active layer)内的横向平面的横截面图。如图所示，解复用器320包括输入区域302(例如，可相当于图2A所示的输入区域202)、多个输出区域304(例如，可相当于图2A所示的多个输出区域204)、以及光学设置在输入区域302和多个输出区域304之间的色散区域。输入区域302和多个输出区域304(例如，304-A、304-B、304-C和304-D)可以各自是能够沿着波导的路径传播光的波导(例如，平板波导、条形波导、缝隙波导等)。色散区域330包括非均匀散布以形成多个界面的第一材料和第二材料(参见例如图3D)，每个界面对应于色散区域330的折射率(refractive index)的改变并共同构造色散区域330，以当输入区域302接收到多通道光信号时从多通道光信号(例如，图2A所示的光信号110)光学分离多个不同波长通道(例如，图2A所示的Ch.1、Ch.2、Ch.3、…、Ch.N)中的每一个，并且将多个不同波长通道中的每一个分别引导到多个输出区域304中对应的一个。换句话说，输入区域302适于接收包括多个不同波长通道的多通道光信号，并且多个输出区域304适于各自接收经由色散区域330从多通道光信号解复用的多个不同波长通道中对应的一个。

如图3A所示，并且在图3D和图4A-4B中更清楚地示出，非均匀散布的第一和第二材料的形状和布置产生多个界面，这些界面沿着色散区域330的横截面区域共同形成材料界面图案，该色散区域330至少部分地被包括第二材料的外围边界区域322包围。在一些实施例中，外围区域322具有包括第二材料的基本均匀的成分。在示出的实施例中，色散区域330包括第一侧331和第二侧333，每个侧与内边界(即，设置在色散区域330和对应于外围区域322的外边界的点划线之间的外围区域322的未标记虚线)相接。第一侧331和第二侧332对应于色散区域330的相对侧设置。输入区域302靠近第一侧331设置(例如，输入区域302的一侧邻接色散区域330的第一侧331)，而多个输出区域304中的每一个靠近第二侧333设置(例如，多个输出区域304中的每一个的一侧邻接色散区域330的第二侧333)。

在示出的实施例中，多个输出区域304中的每一个都与多个输出区域304中的每另一个平行。然而，在其他实施例中，多个输出区域304可以彼此不平行或者甚至设置在同一侧(例如，多个输出区域304和/或输入区域302中的一个或多个可以设置在靠近色散区域330的与第一侧331和/或第二侧333相邻的侧)。在一些实施例中，当多个输出区域包括至少三个输出区域时，多个输出区域中的相邻输出区域彼此分离共同的分离距离。例如，如图所示，相邻的输出区域304-A和304-B由距离306彼此分离，其中该距离306可以与其它对相邻输出区域之间的分离距离相同。

如图3A的实施例所示，解复用器320包括四个输出区域304(例如，304-A、304-B、304-C和304-D)，每个输出区域分别映射(即，凭借色散区域330的结构)到包括在多个不同波长通道中的四个通道的相应一个。更具体地，由第一材料和第二材料的非均匀散布所限定的色散区域330的多个界面沿着色散区域330的横截面区域(例如，如图3A、图4A或图4B所示)形成材料界面图案，以使得色散区域330将四个通道中的每一个从多通道光信号中光学分离，并且当输入区域302输入多通道光信号时，将四个通道中的每一个路由到四个输出区域304中的相应一个。

注意，色散区域330的第一材料和第二材料在色散区域内被布置和赋形，以使得材料界面图案与利用逆向设计过程可获得的设计基本上成比例，这将在本公开的后面更详细地讨论。更具体地，在一些实施例中，逆向设计过程可以包括至少部分地基于损失函数对设计进行迭代的基于梯度的优化，其中该损失函数包含性能损失(例如，实施(enforce)功能性)和制造损失(例如，实施第一材料和第二材料的可制造性和二值化)，其中该制造损失经由迭代的基于梯度的优化被减少或以其他方式被调整以生成设计。在相同或其他实施例中，可以使用其他优化技术来代替基于梯度的优化，或者与基于梯度的优化结合使用。有利的是，这允许优化几乎无限数量的设计参数，以在预定区域内实现传统设计技术不可能实现的功能和性能。

例如，在一个实施例中，色散区域330被构造成当输入区域302接收到多通道光信号时，在35μm×35μm的预定区域(例如，如由色散区域330的宽度325和长度327定义的)内将四个通道中的每一个从多通道光信号中光学分离。在相同或另一个实施例中，色散区域被构造成容纳四个通道中的每一个的公共带宽，四个通道中的每一个具有不同的中心波长。在一个实施例中，公共带宽大约为13nm宽，并且从由1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1511nm、1531nm、1551nm和1571nm组成的组中选择不同的中心波长。在一些实施例中，解复用器320的整个结构(例如，包括输入区域321、外围区域322、色散区域330和多个输出区域304)适合于预定区域(例如，如由宽度321和长度323定义的)内。在一个实施例中，预定区域是35μm×35μm。应当理解，在其他实施例中，色散区域330和/或解复用器330适合于大于或小于35μm×35μm的其他区域内，这可能导致解复用器320的色散区域330的结构(例如，第一和第二材料的布置和形状)和/或其他组件的改变。

在相同或其他实施例中，对于多个不同波长通道之一内的给定波长，色散区域被构造成具有从输入区域302通过色散区域330到多个输出区域304中对应的一个输出区域的-2dB或更大的功率传输。例如，如果多通道光信号的通道1被映射到输出区域304-A，则当解复用器320在输入区域302处接收到多通道光信号时，色散区域330将从多通道光信号中光学分离通道1，并且以-2dB或更大的功率传输将对应于通道1的多通道光信号的一部分引导到输出区域304-A。在相同或另一个实施例中，色散区域330被构造成使得对于给定波长，从输入区域到多个输出区域中除了多个输出区域中对应的一个输出区域之外的任何一个输出区域的不利(adverse)功率传输(即，隔离)为-30dB或更小，-22dB或更小，或其他。例如，如果多通道光信号的通道1被映射到输出区域304-A，则从输入区域302到除了多个输出区域中对应的一个(例如，304-A)之外的多个输出区域(例如，304-B、304-C、304-D)中的任何一个其他输出区域的不利功率传输是-30dB或更小，-22dB或更小，或其他。在一些实施例中，在输入区域(例如，输入区域302)处接收的输入信号(例如，多通道光信号)的来自解复用器320的最大功率反射被色散区域330反射回输入区域，或者是-40dB或更小，-20dB或更小，-8dB或更小，或其他。应当理解，在其他实施例中，功率传输、不利功率传输、最大功率或其他性能特性可以不同于本文讨论的各个值，但是色散区域330的结构可以由于解复用器320的结构、功能和性能之间的内在关系而改变。

图3B示出了包括在解复用器320的所示实施例中的各个层的垂直示意图或堆叠。然而，应当理解，所示实施例不是穷举的，并且可以省略特定特征或元件以避免模糊本发明的特定方面。在所示的实施例中，解复用器320包括衬底302、介电层304、有源层306(例如，如图3A的横截面图所示)和包覆层308。在一些实施例中，解复用器320可以部分地或以其他方式是与传统制造技术(例如，诸如光刻、电子束光刻等的光刻技术、喷镀、热蒸发、物理和化学气相沉积等)兼容的光子集成电路或硅光子设备。

在一个实施例中，最初可以提供绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)晶片，其包括对应于衬底302的支撑衬底(例如，硅衬底)、对应于介电层304的二氧化硅介电层、硅层(例如，本征的、掺杂的或其他的)和氧化物层(例如，本征的、生长的或其他的)。在一个实施例中，可以通过在SOI晶片上光刻产生图案来选择性地蚀刻有源层306中的硅，该图案通过干法蚀刻工艺(例如，通过光致抗蚀剂掩模或其他硬掩模)转移到SOI晶片，以去除部分硅。硅可以一直蚀刻到介电层304，以形成空隙(void)，其中该空隙随后可以用二氧化硅回填，随后用二氧化硅封装以形成包覆层308。在一个实施例中，可以有几个蚀刻深度，包括硅的完全蚀刻深度，以获得目标结构。在一个实施例中，硅可以是220nm厚，因此完全蚀刻深度可以是220nm。在一些实施例中，这可以是两步封装工艺，其中利用用于产生平坦表面的中间化学机械平坦化来执行两次二氧化硅沉积。

图3C示出了沿着包括图3A的输入区域302的外围区域322的一部分截取的有源层306(相对于图3B)的更详细视图。在示出的实施例中，有源区306包括折射率为ε₁的第一材料332和折射率为ε₂且不同于ε₁的第二材料334。如图3A和图3C所示，第一材料332和第二材料334的同质区域可以形成对应于输入区域302和多个输出区域304的波导或波导部分。

图3D示出了沿色散区域330截取的有源层306(相对于图3B)的更详细视图。如前所述，色散区域306包括第一材料332(例如，硅)和第二材料334(例如，二氧化硅)，它们非均匀散布以形成共同形成材料界面图案的多个界面336。形成界面图案的多个界面336中的每一个对应于色散区域330的折射率的改变，以构造色散区域(即，第一材料332和第二材料334的形状和布置)来至少部分地提供解复用器320的功能(即，当输入区域302接收到多通道光信号时，多个不同波长通道与多通道光信号的光学分离以及多个不同波长通道中的每一个到多个输出区域304中的对应一个的相应引导)。

应当理解，在如图3A-图3D所示的解复用器320的所示实施例中，折射率的改变被示出为垂直一致的(即，第一材料332和第二材料334形成基本垂直或垂直于解复用器330的横向平面或横截面的界面。然而，在相同或其他实施例中，多个接口(例如，图3D中示出的接口336)可以不与解复用器330的横向平面或横截面基本垂直。

图4A示出了根据本公开实施例的示例光子解复用器420的色散区域的更详细的横截面图。图4B示出了由用于图4A的光子解复用器420的色散区域的第一材料432和第二材料434的形状和布置形成的界面图案的更详细视图。解复用器420是图1所示的mux/demux109、图2A所示的解复用器220和图3A-图3D所示的解复用器320的一种可能的实施方式。

如图4A-图4B所示，解复用器420包括输入区域402、多个输出区域404和光学设置在输入区域402和多个输出区域404之间的色散区域430。色散区域430至少部分被外围区域422包围，其中该外围区域422包括内边界436和外边界438。应当理解，解复用器420的相似命名或标记的元件可以类似地对应于本公开的实施例中描述的其他解复用器的相似命名或标记的元件。

光子解复用器420的第一材料432(即，色散区域430内的黑色区域)和第二材料434(即，色散区域430内的白色区域)被非均匀地散布，以产生共同形成材料界面图案431的多个界面，如图4B所示。更具体地，逆向设计过程利用迭代的基于梯度的优化、马尔可夫链蒙特卡罗优化或与第一原理模拟相结合的其他优化技术来生成设计，该设计基本上由色散区域430以成比例或缩放的方式复制，使得光子解复用器420提供期望的功能。在示出的实施例中，色散区域430被构造成从多通道光信号中光学分离多个不同波长通道中的每一个，并且当输入区域402接收到多通道光信号时，分别将多个不同波长通道中的每一个引导到多个输出区域404中对应的一个。更具体地，多个输出区域404-A、404-B、404-C和404-D分别被映射到具有对应于1271nm、1291nm、1311nm和1331nm的中心波长的波长通道。在另一个实施例中，输出区域404-A、404-B、404-C和404-D分别被映射到具有对应于1511nm、1531nm、1551nm和1571nm的中心波长的波长通道。

如图4B所示，由色散区域430内的黑线定义并对应于色散区域430内折射率的改变的材料界面图案431包括多个突起442。第一突起442-A由第一材料432形成，并从外围区域422延伸到色散区域430中。类似地，第二突起442-B由第二材料434形成，并且从外围区域422延伸到色散区域430中。在图4B中进一步示出，色散区域430包括由第一材料432或第二材料434形成的多个岛444。多个岛442包括由第一材料432形成并被第二材料434包围的第一岛442-A。多个岛442还包括由第二材料434形成并被第一材料434包围的第二岛442-B。

在一些实施例中，材料界面图案431包括一个或多个树枝状(dendritic)形状，其中一个或多个树枝状形状中的每一个被定义为由第一材料432或第二材料434形成的分支结构，并且具有沿着对应方向在尺寸上增加和减小之间交替的宽度。参考回图4A，为了清楚起见，树枝状结构446用具有黑边的白色箭头标记。可以看出，树枝状结构446的宽度沿着对应的方向(即，白色标记的箭头覆盖树枝状结构446的长度)交替增加和减小尺寸，以产生分支结构。应当理解，在其他实施例中，可以没有突起，可以没有岛，可以没有树枝状结构，或者可以有任何数量(包括零)的包括在色散区域430中的任何材料的突起、岛、树枝状结构或其组合。

在一些实施例中，逆向设计过程包括实施最小特征尺寸的制造损失，例如，以确保设计的可制造性。在图4A和图4B所示的光子解复用器420的所示实施例中，界面图案431被赋形为在色散区域430内实施最小特征尺寸，使得由第一材料432和第二材料434形成的横截面区域内的多个界面不具有小于阈值尺寸的曲率半径。例如，如果最小特征尺寸是150nm，则多个界面中的任何界面的曲率半径具有小于阈值尺寸的大小，这对应于最小特征尺寸的一半的倒数(即，1/75nm^-1)。通过考虑制造约束、限制和/或产量，这种最小特征尺寸的实施防止了逆向设计过程产生不可制造的设计。在相同或其他实施例中，可以利用对与可制造性相关的度量的不同或附加检查来实施最小宽度或间隔作为最小特征尺寸。

图5是示出根据本公开实施例的用于生成光子集成电路(即，光子设备)的设计的系统500的功能框图。系统500可以用于执行逆向设计过程，该逆向设计过程生成具有迭代的基于梯度的优化的设计，该优化考虑了支配光子集成电路的操作的底层物理。更具体地，系统500是一种设计工具，其可以用于基于第一原理模拟(例如，电磁模拟以确定光子设备对激励源的场响应)和迭代的基于梯度的优化来优化光子集成电路的结构参数(例如，在本公开中描述的实施例的色散区域内的第一材料和第二材料的形状和布置)。换句话说，系统500可以提供经由逆向设计过程获得的设计，该设计被分别在图3A和4A中示出的解复用器320和420的色散区域330、430和472基本复制(即，成比例缩放)。

如图所示，系统500包括控制器505、显示器507、(多个)输入设备509、(多个)通信设备511、网络513、远程资源515、总线521和总线523。控制器505包括处理器531、存储器533、本地存储装置535和光子设备模拟器539。光子设备模拟器539包括操作模拟引擎541、制造损失计算逻辑543、计算逻辑545、伴随模拟引擎547和优化引擎549。应当理解，在一些实施例中，控制器505可以是分布式系统。

控制器505耦合到显示器507(例如，发光二极管显示器、液晶显示器等)，显示器507通过总线523耦合到总线521，用于利用系统500向用户显示信息，以优化光子设备(即，解复用器)的结构参数。输入设备509通过总线523耦合到总线521，用于向处理器531通信传送信息和命令选择。输入设备509可以包括鼠标、轨迹球、键盘、触笔或其他计算机外围设备，以便于用户和控制器505之间的交互。作为响应，控制器505可以通过显示器507提供交互的验证。

可选地耦合到控制器505的另一个设备是用于经由网络513访问分布式系统的远程资源515的通信设备511。通信设备511可以包括任何数量的网络外围设备，诸如用于耦合到以太网、互联网或广域网等的设备。通信设备511可以进一步包括在控制器505和外部世界之间提供连接的机制。注意，图5所示的系统500的任何或所有组件以及相关硬件可以用于本公开的各种实施例中。远程资源515可以是分布式系统的一部分，并且包括任意数量的处理器、存储器和用于优化光子设备的结构参数的其他资源。

控制器505协调系统500的操作，用于优化光子设备的结构参数。处理器531(例如，一个或多个中央处理单元、图形处理单元和/或张量处理单元等)、存储器533(例如，诸如DRAM和SRAM的易失性存储器、诸如ROM、闪存的非易失性存储器等)、本地存储装置535(例如，诸如计算机磁盘驱动器的磁存储器)和光子设备模拟器539通过总线523彼此耦合。控制器505包括软件(例如，包括在耦合到处理器531的存储器533中的指令)和/或硬件逻辑(例如，专用集成电路、现场可编程门阵列等)，当由控制器505执行时，其使得控制器505或系统500执行操作。操作可以基于存储在存储器533、本地存储装置535、物理设备模拟器539和通过网络513访问的远程资源515中的任何一个或组合中的指令。

在示出的实施例中，光子设备模拟器539的模块541-549用于优化光子设备(例如，图1的mux/demux 107、图2A的解复用器220、图2B的解复用器250、图3A-图3D的解复用器320和图4A-图4B的解复用器420)的结构参数。在一些实施例中，系统500可以通过尤其是利用时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)方法来建模场响应(例如，光子设备内的电场和磁场)的模拟(例如，操作模拟和伴随模拟)来优化光子设备的结构参数。操作模拟引擎541提供指令，用于在模拟环境内执行响应于激励源而操作的光子设备的电磁模拟。具体地，操作模拟确定响应于激励源的模拟环境(以及因此由模拟环境描述的光子设备)的场响应，以确定物理设备(例如，基于利用多个体素(voxel)来描述模拟环境内的光子设备的结构参数的光子设备的初始描述或输入设计)的性能度量。结构参数可以对应于例如物理设备的具体设计、材料成分、大小等。制造损失计算逻辑543提供用于确定制造损失的指令，该制造损失用于实施最小特征尺寸以确保可制造性。在一些实施例中，制造损失还用于实施设计的二值化(即，使得光子设备包括第一材料和第二材料，它们被散布以形成多个界面)。计算逻辑545计算通过包含基于性能度量的性能损失和制造损失的损失函数确定的损失度量。伴随模拟引擎547与操作模拟引擎541结合使用，以执行光子设备的伴随模拟，从而经由损失函数通过模拟环境反向传播损失度量，以确定光子设备的结构参数的改变如何影响损失度量。优化引擎549用于更新光子设备的结构参数，以降低损失度量，并生成光子设备的修订描述(即，修订设计)。

图6A-图6C分别示出了描述光子设备的模拟环境601-A的初始设置、在模拟环境601-B内执行响应于激励源的光子设备的操作模拟、以及在模拟环境601-C内执行光子设备的伴随模拟。模拟环境201的初始设置、模拟环境201的1维表示、物理设备的操作模拟以及物理设备的伴随模拟可以用图1所示的系统100来实施。如图6A-图2C所示，模拟环境601以二维表示。然而，应当理解，其他维度(例如，3维空间)也可以用于描述模拟环境601和光子设备。在一些实施例中，图6A-图6C中所示的光子设备的结构参数的优化可以通过逆向设计过程来实现，其中该逆向设计过程尤其包括利用时域有限差分(FDTD)方法来建模对激励源的场响应(例如，电场和磁场)的模拟(例如，操作模拟和伴随模拟)。

图6A示出了根据本公开实施例的描述光子集成电路(即，诸如波导、解复用器等的光子设备)的说明性模拟环境601-A。更具体地，响应于接收由一个或多个结构参数(例如，输入设计)定义的光子设备的初始描述，系统(例如，图5的系统500)将模拟环境601配置为表示光子设备。如图所示，模拟环境601(以及随后的光子设备)由表示二维(或其他维度)空间的各个元素(即，离散化的)的多个体素610来描述。每个体素被示出为二维正方形；然而，应当理解，体素可以表示为三维空间中的立方体或其他形状。应当理解，多个体素610的具体形状和维度可以根据模拟环境601和被模拟的光子设备来调整。还应注意，仅示出了多个体素610的一部分，以避免模糊模拟环境601的其他方面。

多个体素610中的每一个可以与结构值、场值和源值相关联。共同地，模拟环境601的结构值描述了光子设备的结构参数。在一个实施例中，结构值可以对应于共同描述光子设备的结构(即，材料)边界或界面(例如，图4B的界面图案431)的相对介电常数、磁导率和/或折射率。例如，界面636表示相对介电常数在模拟环境601中改变的位置，并且可以限定光子设备的边界，其中在该边界处第一材料与第二材料相遇或者以其他方式相接。场值描述了响应于由源值描述的激励源而计算(例如，通过麦克斯韦方程)的场(或损失)响应。例如，场响应可以对应于描述多个体素610中的每一个在特定时间步处的电场和/或磁场(例如，在一个或多个正交方向上)的向量。因此，场响应可以至少部分地基于光子设备和激励源的结构参数。

在示出的实施例中，光子设备对应于具有设计区域630(例如，对应于图3A的色散区域330，和/或图4A的色散区域430)的光解复用器，其中物理设备的结构参数可以被更新或以其他方式修订。更具体地，通过逆向设计过程，执行从损失函数确定的损失度量的迭代的基于梯度的优化，以生成光子设备的设计，其中该设计在功能上使得多通道光信号被解复用，并从输入端口602被引导到输出端口604中对应的一个。因此，光子设备的输入端口602(例如，对应于图3A的输入区域302、图4A的输入区域404等)对应于提供输出(例如，高斯脉冲、波、波导模式响应等)的激励源的位置。激励源的输出基于结构参数与光子设备相互作用(例如，当波在模拟环境601内传播通过光子设备时，对应于激励源的电磁波可以被扰动、重传、衰减、折射、反射、衍射、散射、吸收、分散、放大或其他)。换句话说，激励源可以导致光子设备的场响应改变，这取决于支配物理域的底层物理和光子设备的结构参数。激励源源自输入端口602或以其他方式靠近输入端口602，并且被定位成通过设计区域630朝向光子设备的输出端口604传播(或以其他方式影响多个体素的场值)。在示出的实施例中，输入端口602和输出端口604被定位在设计区域630的外部。换句话说，在示出的实施例中，只有光子设备的结构参数的一部分是可优化的。

然而，在其他实施例中，光子设备的整体可以被放置在设计区域630内，使得结构参数可以表示光子设备设计的任何部分或整体。模拟环境601(以及随后的光子设备)内的电场和磁场可以响应于激励源而改变(例如，由共同对应于模拟环境的场响应的各个体素的场值来表示)。光解复用器的输出端口604可以用于响应于激励源(例如，从输入端口602到输出端口604中的特定一个的功率传输)来确定光子设备的性能度量。光子设备的初始描述，包括初始结构参数、激励源、性能参数或度量以及描述光子设备的其他参数，由系统(例如，图5的系统500)接收并用于配置模拟环境601以执行光子设备的基于第一原理的模拟。这些特定值和参数可以由用户(例如，图5中的系统500的用户)直接定义，间接定义(例如，经由控制器505挑选存储在存储器533、本地存储装置535或远程资源515中的预定值)，或其组合。

图6B示出了根据本公开实施例的在模拟环境601-B内响应于激励源的光子设备的操作模拟。在示出的实施例中，光子设备是光解复用器结构，以光学分离在输入端口602处接收的多通道光信号中包括的多个不同波长通道中的每一个，并分别将多个不同波长通道中的每一个引导到多个输出区域604中对应的一个。激励源可以从多个不同波长通道中选择(随机地或以其他方式)，并且源自具有指定的空间、相位和/或时间属性(profile)的输入区域602。操作模拟发生在多个时间步上，包括示出的时间步。当执行操作模拟时，响应于多个时间步上的激励源，对多个体素610中的每一个的场响应(例如，场值)的改变被递增地更新。在特定时间步的场响应的改变至少部分地基于结构参数、激励源和在多个时间步中包括的紧接在前的时间步的模拟环境601的场响应。类似地，在一些实施例中，多个体素610的源值被更新(例如，基于描述激励源的空间属性和/或时间属性)。应当理解，操作模拟是递增的，并且在操作模拟期间，对于多个时间步中的每个时间步，随着时间正向移动，模拟环境601的场值(和源值)在每个时间步递增地更新。还要注意，在一些实施例中，更新是迭代过程，并且每个场和源值的更新至少部分地基于每个场和源值的先前更新。

一旦操作模拟达到稳定状态(例如，响应于激励源的场值的改变基本稳定或减少到可忽略的值)或以其他方式结束，可以确定一个或多个性能度量。在一个实施例中，性能度量对应于输出端口604中映射到由激励源模拟的不同波长通道的对应一个处的功率传输。换句话说，在一些实施例中，性能度量表示输出端口604的特定位置处的目标模式形状中的功率(在一个或多个感兴趣的频率下)。至少部分地基于性能度量的输入设计(例如，初始设计和/或其中结构参数已经被更新的任何精化设计)的损失值或度量可以通过损失函数来确定。损失度量结合伴随模拟可以用于确定结构梯度(例如，结构参数对损失度量的影响)，以更新或以其他方式修订结构参数来降低损失度量(即，提高性能度量)。注意，损失度量还基于用于实施光子设备的最小特征尺寸以提升设备的可制造性的制造损失值。

图6C示出了根据本公开实施例的通过反向传播损失度量的模拟环境601-C内的示例伴随模拟。更具体地，伴随模拟是时间反向模拟，其中损失度量被视为与光子设备相互作用并引起损失响应的激励源。换句话说，基于损失度量的伴随(或虚拟源)被放置在输出区域(例如，输出端口604)或对应于在确定性能度量时使用的位置的其他位置。在伴随模拟期间，(多个)伴随源被视为物理刺激(stimuli)或激励源。响应于伴随源，为多个时间步中的每一个(例如，时间上反向)计算模拟环境601的损失响应。损失响应统称为响应于伴随源在多个时间步上递增地更新的多个体素的损失值。基于损失度量的损失响应的改变可以对应于损失梯度，其中损失梯度指示物理设备的场响应的改变如何影响损失度量。损失梯度和场梯度可以以适当的方式组合，以确定光子设备/模拟环境的结构梯度(例如，模拟环境中光子设备的结构参数的改变如何影响损失度量)。一旦特定循环(例如，操作和伴随模拟)的结构梯度已知，就可以更新结构参数以降低损失度量并生成光子设备的修订描述或设计。

在一些实施例中，作为利用迭代的基于梯度的优化的逆向设计过程的一部分，连续执行执行操作模拟和伴随模拟、确定结构梯度以及更新结构参数以降低损失度量的迭代循环。可以利用诸如梯度下降的优化方案来确定光子设备的结构参数的改变的具体量或程度，以递增地减小损失度量。更具体地，在每个循环之后，结构参数被更新(例如，优化)以降低损失度量。迭代地重复操作模拟、伴随模拟和更新结构参数，直到损失度量基本收敛或者以其他方式低于或在阈值或范围内，使得光子设备在保持可制造性的同时提供期望的性能。

图7A是示出根据本公开实施例的操作模拟710和伴随模拟750的示例时间步的流程图700。流程图700是系统(例如，图5的系统500)可以用来执行描述光子集成电路(例如，在电磁域中操作的光学设备，诸如光子解复用器)的模拟环境(例如，图6A-图6C的模拟环境601)的操作模拟710和伴随模拟750的一种可能的实施方式。在示出的实施例中，操作模拟利用时域有限差分(FDTD)方法来建模响应于对应于激励源和/或伴随源的物理刺激的、多个时间步的多个体素(例如，图6A-图6C中示出的多个体素610)中的每一个处的场响应(电和磁两者)或损失响应进行建模。

如图7A所示，流程图700包括对操作模拟710和伴随模拟750的一部分的更新操作。操作模拟710发生在多个时间步上(例如，从初始时间步通过具有指定时间步尺寸的预定或条件数量的时间步到最终时间步)，并对共同对应于场响应的描述模拟环境和/或光子设备的多个体素的电场和磁场的改变进行建模(例如，从初始场值711)。更具体地，更新操作(例如，712、714和716)是迭代的，并且基于场响应、结构参数704和一个或多个激励源708。每个更新操作之后是另一个更新操作，它们表示多个时间步内时间上正向的连续步。例如，更新操作714基于从先前的更新操作712、源708和结构参数704确定的场响应来更新场值713(参见例如图7B)。类似地，更新操作716基于从更新操作714确定的场响应来更新场值715(参见例如图7B)。换句话说，在操作模拟的每个时间步，基于光子设备的先前场响应和结构参数来更新场值(以及因此场响应)。一旦执行了操作模拟710的最终时间步，就可以确定损失度量718(例如，基于预定的损失函数720)。从块752确定的损失梯度可被视为伴随或虚拟源(例如，源自输出区域或端口的物理刺激或激励源)，其相反地被反向传播(从最终时间步递增地通过多个时间步，直到到达初始时间步)以确定结构梯度768。

在示出的实施例中，仅使用“更新”和“损失”操作以及它们对应的梯度操作，从高层形象地描述了FDTD求解(例如，操作模拟710)和反向求解(例如，伴随模拟750)问题。最初建立模拟，其中提供模拟环境(和光子设备)的结构参数、物理刺激(即，激励源)和初始场状态(例如，通过初始描述和/或输入设计)。如前所述，基于结构参数响应于激励源来更新场值。更具体地，更新操作由φ给出，其中对于

这里，

对应于操作模拟的时间步(例如，多个时间步)的总数，其中

对应于在时间步

处模拟环境的场响应(与多个体素中的每一个的电场和磁场相关联的场值)，

对应于在时间步

处模拟环境的(多个)激励源(与多个体素中的每一个的电场和磁场相关联的源值)，而

对应于描述物理设备的拓扑和/或材料属性的结构参数(例如，相对介电常数、折射率等)。

注意，使用FDTD方法，更新操作可以具体表述为：

也就是说，FDTD更新相对于场和源项是线性的。具体地，

和

是线性算子，它们依赖于结构参数

并分别作用于场

和源

这里，假设

其中N是操作模拟中FDTD场分量的数量。此外，损失运算(例如，损失函数)可由

给出，其将计算的场作为输入，并产生可被减少和/或最小化的单个实值标量(例如，损失度量)。

就修订或以其他方式优化物理设备的结构参数而言，要产生的相关量是

其用于描述结构参数的改变对损失值的影响，并被表示为图7A中所示的结构梯度768。

图7B是根据本公开实施例的示出用于操作模拟和伴随模拟(例如，反向传播)的更新操作之间的关系的图780。更具体地，图7B总结了在计算结构梯度

时涉及的操作和伴随模拟关系，包括

和

操作模拟的更新操作714将第

时间步的多个体素的场值713

更新到下一个时间步(即

时间步)，其对应于场值715

梯度755被用于确定用于反向传播(例如，时间上反向的更新操作356)的

其与梯度769相结合被至少部分地用于计算结构梯度

是每个场对损失度量L的贡献。注意，这是偏导数，因此不考虑

的因果关系。因此，利用了

其包含

关系。损失梯度

也可以用于计算结构梯度

并对应于场关于损失值L的全导数。特定时间步

处的损失梯度

等于

的和。最后，使用对应于场梯度的

它是来自每个时间/更新步的对

的贡献。

具体地，直接计算

和

的内存占用(memory footprint)非常大，很难存储很多状态张量(state Tensor)。状态张量对应于存储单个模拟时间步的所有FDTD单元(例如，多个体素)的值。应当理解，术语“张量”可以指数学意义上的张量或者如Alphabet公司开发的TensorFlow框架所描述的张量。在一些实施例中，术语“张量”是指对应于遵循特定变换法则的多维数组的数学张量。然而，在大多数实施例中，术语“张量”是指TensorFlow张量，其中张量被描述为向量和矩阵向潜在的更高维度的泛化(例如，基本数据类型的n维数组)，并且不必限于特定的变换法则。例如，对于一般损失函数f，可能需要存储所有时间步

的场

这是因为，对于f的大多数选择，梯度将是f的参数的函数。由于场响应的增量更新和/或通过损失度量的反向传播，在较小

的值之前需要较大

值的

值，这一事实加剧了这一困难，这可能阻止使用试图仅存储即时时间步的

值的方案。

当计算结构梯度

时，进一步示出了另一个困难，结构梯度

由下式给出：

为完整起见，总和

中的第一项的完整形式表示为：

基于如等式(1)所描述的φ的定义，注意，

其可以在等式(3)中被代入，以获得用于反向传播的伴随更新(例如，诸如更新操作756的更新操作)，其可以被表示为：

或者

伴随更新是损失梯度(例如，来自损失度量的)从较晚时间步到较早时间步的反向传播，并且可以被称为对

的反向求解。更具体地，损失梯度最初可以基于利用损失函数从操作模拟中确定的损失度量的反向传播。结构梯度和

中的第二项对应于场梯度，表示为：

对于等式(1)描述的φ的特定形式。因此，相关总和

的每一项都取决于对于

的

和对于

的

两者。由于这两项的依赖链方向相反，因此可以得出结论，以这种方式计算

需要存储所有

的

值。在一些实施例中，存储所有场值的需要可以通过场的简化表示来减轻。

图8示出了根据本公开实施例的用于生成光子集成电路的设计的示例方法800。应当理解，方法800是逆向设计过程，其可以通过利用系统(例如，图5的系统500)执行操作来执行从包括性能损失和制造损失的损失函数确定的损失度量的迭代的基于梯度的优化来实现。在相同或其他实施例中，方法800可以被包括为由至少一个机器可访问存储介质(例如，非暂时性存储器)提供的指令，当由机器执行时，该指令将使得机器执行用于生成光子集成电路的设计的操作。还应当理解，方法800中一些或所有过程块出现的顺序不应被视为限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程块可以以未示出的各种顺序执行，或者甚至并行执行。

块810示出了配置模拟环境以表示已经接收或以其他方式获得的光子集成电路(例如，光子设备)的初始描述。在一些实施例中，可以预期光子集成电路在优化之后具有特定功能(例如，作为光解复用器来执行)。初始描述可以描述模拟环境内的光子集成电路的结构参数。模拟环境可以包括共同描述光子设备的结构参数的多个体素。多个体素中的每一个都与描述结构参数的结构值、描述对物理刺激(例如，一个或多个激励源)的场响应(例如，一个或多个正交方向上的电场和磁场)的场值以及描述物理刺激的源值相关联。一旦接收到或以其他方式获得了初始描述，就配置模拟环境(例如，基于初始描述设置体素的数量、体素的形状/布置以及体素的结构值、场值和/或源值的特定值)。在一些实施例中，初始描述可以是物理设备的第一描述，其中结构参数的值可以是输入和输出区域之外的随机值或空值，使得对于初始(例如，第一)设计没有偏差。应当理解，初始描述或输入设计可以是相对术语。因此，在一些实施例中，初始描述可以是在模拟环境的上下文中描述的物理设备的第一描述(例如，用于执行第一操作模拟的第一输入设计)。

然而，在其他实施例中，术语初始描述可以指特定循环的初始描述(例如，执行操作模拟、操作伴随模拟以及更新结构参数的)。在这样的实施例中，该特定循环的初始描述或设计可以对应于修订的描述或精化的设计(例如，从先前的循环生成的)。在一个实施例中，模拟环境包括设计区域，其中该设计区域包括具有结构参数的多个体素的一部分，其中该结构参数可以被更新、修订或以其他方式改变以优化光子设备的结构参数。在相同或其他实施例中，基于模拟环境的材料属性(例如，相对介电常数、折射率等)，结构参数与物理设备的几何边界和/或材料成分相关联。

在一个实施例中，模拟环境包括光学耦合在第一通信区域和多个第二通信区域之间的设计区域。在一些实施例中，第一通信区域可以对应于输入区域或端口(例如，激励源起源的地方)，而第二通信可以对应于多个输出区域或端口(例如，当设计光学分离在输入端口处接收的多通道光信号中包括的多个不同波长通道并且分别将每个不同波长通道引导到多个输出端口中对应的一个的光解复用器时)。然而，在其他实施例中，第一通信区域可以对应于输出区域或端口，而多个第二通信区域对应于多个输入端口或区域(例如，当设计光学组合在多个输入端口中的相应输入端口处接收的多个不同波长信号以形成被引导到输出端口的多通道光信号的光复用器时)。

块815示出了将多个不同波长通道中的每一个映射到多个第二通信区域中相应的一个。不同波长通道可以凭借光子设备的初始描述被映射到第二通信区域。例如，可以选择将光子设备的性能度量与从输入端口到映射到的通道的各个输出端口的功率传输相关联的损失函数。在一个实施例中，包括在多个不同波长通道中的第一通道被映射到第一输出端口，这意味着第一通道的光子设备的性能度量关联于第一输出端口。类似地，其他输出端口可以被映射到包括在多个不同波长通道中的相同或不同通道，使得每个不同波长通道被映射到模拟环境内的多个输出端口(即，第二通信区域)中的相应一个。在一个实施例中，多个第二通信区域包括四个区域，并且多个不同波长通道包括四个通道，每个通道被映射到四个区域中对应的一个。在其他实施例中，可以有不同数量的第二通信区域(例如，8个区域)和不同数量的通道(例如，8个通道)，每个通道被映射到第二通信区域中的相应一个。

块820示出了在模拟环境中执行响应于一个或多个激励源而操作的光子集成电路的操作模拟，以确定性能度量。更具体地，执行电磁模拟，其中光子集成电路的场响应在多个时间步上被递增地更新，以确定物理设备的场响应如何由于激励源而改变。响应于激励源并且至少部分地基于集成光子电路的结构参数，更新多个体素的场值。此外，特定时间步处的每个更新操作也可以至少部分地基于先前的(例如，紧接之前的)时间步。

因此，操作模拟对光子设备(即，光子集成电路)和物理刺激(即，一个或多个激励源)之间的相互作用进行模拟，以确定光子设备响应于物理刺激的模拟输出(例如，在一个或多个输出端口或区域处)。该相互作用可以对应于至少部分由于光子设备的结构参数和支配光子设备的操作的底层物理的电磁域内的物理刺激的扰动、重传、衰减、色散、折射、反射、衍射、吸收、散射、放大或其他中的任何一种或组合。因此，操作模拟对模拟环境的场响应如何在多个时间步上由于激励源而改变(例如，从具有预定步尺寸的初始时间步到最终时间步)进行模拟。

在一些实施例中，模拟输出可以用于确定光子集成电路的一个或多个性能度量。例如，激励源可以对应于多个不同波长通道中选定的一个，其中每个不同波长通道被映射到多个输出端口之一。当执行操作模拟时，激励源可以源自第一通信区域(即，输入端口)或者被布置在靠近第一通信区域。在操作模拟期间，映射到多个不同波长通道中的所选一个的输出端口处的场响应然后可以用于确定所选不同波长通道的光子集成电路的模拟功率传输。换句话说，操作模拟可以用于确定性能度量，包括确定激励源从第一通信区域通过设计区域到映射到多个不同波长通道中的所选一个的多个第二通信区域中的相应一个的模拟功率传输。在一些实施例中，激励源可以覆盖所有多个输出端口的光谱(例如，激励源至少跨越多个不同波长通道中的每一个的带通区域以及对应的过渡带区域以及对应的阻带区域的至少一部分的目标频率范围)，以确定与光子集成电路的每个不同波长通道相关联的性能度量(即，模拟功率传输)。在一些实施例中，随机选择跨越多个不同波长通道中的给定不同波长通道的通带的一个或多个频率，以优化设计(例如，批量梯度下降，同时使每个通带的全宽度包括满足目标规格的通带中的波纹)。在相同或其他实施例中，多个不同波长通道中的每一个具有具有不同中心波长的公共带宽。

块825示出了基于与性能度量相关联的性能损失和与最小特征尺寸相关联的制造损失来确定损失度量。在一些实施例中，损失度量通过损失函数来确定，其中该损失函数包括性能损失和制造损失两者作为输入值。性能损失可以对应于光子集成电路的性能度量和目标性能度量之间的差。在一些实施例中，可以提供模拟环境的设计区域的最小特征尺寸，以提升由逆向设计过程生成的设计的可制造性。制造损失至少部分地基于设计区域的最小特征尺寸和结构参数。更具体地，制造损失实施设计的最小特征尺寸，使得设计区域不具有直径小于最小特征尺寸的结构元件。这有助于该系统提供满足特定可制造性和/或产量要求的设计。在一些实施例中，制造损失也有助于实施设计的二值化(即，设计包括非均匀散布的第一材料和第二材料的区域，而不是将第一材料和第二材料混合在一起以形成第三材料)。

在一些实施例中，通过生成宽度等于最小特征尺寸的卷积核(例如，圆形、正方形、八边形或其他)来确定制造损失。然后，卷积核移动通过模拟环境的设计区域，以确定设计区域内的体素位置(即，各个体素)，其中该体素位置与设计区域内的卷积核相匹配，而不延伸到设计区域之外。然后，卷积核在每个体素位置处与和体素位置相关联的结构参数进行卷积，以确定第一制造值。然后，结构参数被反演(invert)，并且卷积核在每个体素位置处与反演的结构参数再次卷积，以确定第二制造值。第一和第二制造值随后被组合以确定设计区域的制造损失。这种确定制造损失的过程可以提升设计区域的结构元件具有小于阈值尺寸(即，最小特征尺寸的一半的倒数)的大小的曲率半径。

块830示出了通过模拟环境经由损失函数反向传播损失度量，以确定结构参数的改变对损失度量的影响(即，结构梯度)。损失度量被视为伴随源或虚拟源，并且在反向模拟中从最终时间步向更早的时间步递增地反向传播，以确定光子集成电路的结构梯度。

块835示出了通过更新结构参数来调整损失度量，从而修订光子集成电路的设计(例如，生成修订的描述)。在一些实施例中，针对损失度量进行调整可以降低损失度量。然而，在其他实施例中，可以以不一定降低损失度量的方式来调整或以其他方式补偿损失度量。在一个实施例中，调整损失度量可以保持可制造性，同时在参数化空间内提供总体方向，以获得最终将导致性能提高同时还保持设备可制造性和目标性能度量的设计。在一些实施例中，通过梯度下降算法、马尔可夫链蒙特卡罗算法或其他优化技术，在一轮操作和伴随模拟之后，通过利用优化方案来生成修订的描述。换句话说，可以连续执行模拟光子集成电路、确定损失度量、反向传播损失度量、以及更新结构参数以调整损失度量的迭代循环，直到损失度量基本收敛，使得性能度量和目标性能度量之间的差在阈值范围内，同时还考虑了由于制造损失导致的可制造性和二进制化。在一些实施例中，术语“收敛”可以简单地表示差在阈值范围内和/或在某个阈值以下。

块840示出了确定损失度量是否基本收敛，使得性能度量和目标性能度量之间的差在阈值范围内。模拟具有从多个不同波长通道中选择的激励源的光子集成电路、反向传播损失度量、以及通过更新结构参数来减小损失度量直到损失度量基本收敛为使得性能度量和目标性能度量之间的差在阈值范围内来修订设计的迭代循环。在一些实施例中，当执行循环时，集成光子电路的设计区域的结构参数被修订，以使光子集成电路的设计区域将多个不同波长通道中的每一个从经由第一通信区域接收的多通道光信号中光学分离，并基于块815的映射将多个不同波长通道中的每一个引导到多个第二通信区域中对应的一个。

块845示出了输出光子集成电路的优化设计，其中结构参数已经被更新以使性能度量和目标性能度量之间的差在阈值范围内，同时还实施最小特征尺寸和二进制化。

上面解释的过程是根据计算机软件和硬件来描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质中的机器可执行指令，当由机器执行时，这些指令将使机器执行所描述的操作。此外，这些过程可以在硬件中体现，诸如专用集成电路(“ASIC”)或其他。

有形机器可读存储介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)可访问的非暂时形式提供(即，存储)信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等)。

本发明所示实施例的以上描述，包括摘要中的描述，并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然为了说明的目的在本文中描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims

1.一种多通道光子解复用器，包括：

输入区域，接收包括四个不同波长通道的多通道光信号；

四个输出区域，每个输出区域接收从所述多通道光信号解复用的所述四个不同波长通道中对应的一个；和

色散区域，光学设置在所述输入区域和所述四个输出区域之间，其中，所述色散区域包括非均匀散布以形成多个界面的第一材料和第二材料，其中所述多个界面中的每个界面对应于所述色散区域的折射率的改变，并且共同构造所述色散区域以当所述输入区域接收到所述多通道光信号时从所述多通道光信号中光学分离所述四个不同波长通道中的每一个，并且分别将所述四个不同波长通道中的每一个引导到所述四个输出区域中对应的一个。

2.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述多个界面沿着所述色散区域的横截面区域形成材料界面图案，所述色散区域至少部分地被包括所述第二材料的外围区域包围。

3.根据权利要求2所述的多通道光子解复用器，其中，所述第一材料和所述第二材料被布置在所述色散区域内，使得沿着所述色散区域的横截面区域的所述材料界面图案被赋形为与如图4B所示的界面图案431基本成比例。

4.根据权利要求2所述的多通道光子解复用器，其中，所述材料界面图案包括由所述第二材料形成的突起，所述突起从所述外围区域延伸到所述色散区域中。

5.根据权利要求2所述的多通道光子解复用器，其中，所述材料界面图案包括多个岛，其中，所述多个岛中包括的第一岛由所述第一材料形成并被所述第二材料包围，并且其中，所述多个岛中包括的第二岛由所述第二材料形成并被所述第一材料包围。

6.根据权利要求2所述的多通道光子解复用器，其中，所述材料界面图案包括一个或多个树枝状形状，其中，所述一个或多个树枝状形状中的每一个被定义为由所述第一材料或所述第二材料形成的分支结构，并且具有沿着对应方向在尺寸上增加和减小之间交替的宽度。

7.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述第一材料和所述第二材料在所述色散区域内被布置和赋形，使得所述材料界面图案与利用逆向设计过程可获得的设计基本成比例。

8.根据权利要求7所述的多通道光子解复用器，其中，所述逆向设计过程包括至少部分地基于损失函数对设计进行迭代优化，所述损失函数包含性能损失和制造损失，所述制造损失经由迭代优化进行调整以生成设计。

9.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述色散区域还被构造成当所述输入区域接收到所述多通道光信号时，在100μm×100μm或更小的预定区域内，将所述四个不同波长通道中的每一个从所述多通道光信号中光学分离。

10.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述色散区域被构造成容纳所述四个不同波长通道中的每一个的公共带宽，其中每个不同波长通道具有不同的中心波长，其中，所述公共带宽大约为13nm宽，并且其中，所述不同的中心波长包括1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1511nm、1531nm、1551nm或1571nm中的至少一个。

11.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述材料界面图案被赋形为在所述色散区域内实施最小特征尺寸，使得由所述第一材料和所述第二材料形成的横截面区域内的所述多个界面不具有以下中的至少一项：大小小于第一阈值尺寸的曲率半径、小于第二阈值尺寸的最小宽度、或小于第三阈值尺寸的最小间隔。

12.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，对于所述四个不同波长通道之一内的给定波长，所述色散区域被构造成具有从所述输入区域通过所述色散区域到所述四个输出区域中对应的一个输出区域的-2dB或更大的功率传输。

13.根据权利要求12所述的多通道光子解复用器，其中，所述色散区域还被构造成具有以下中的至少一项：对于给定波长，从所述输入区域到所述四个输出区域中除了所述四个输出区域中所述对应的一个输出区域之外的任何一个输出区域的不利功率传输为-30dB或更小、所述四个不同波长通道中的每一个的带通区域内的波纹为1dB或更小、或者所述多通道光信号的最大功率反射为-40dB或更小。

14.根据权利要求1所述的多通道光子解复用器，其中，所述色散区域包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述输入区域靠近所述第一侧设置，其中，所述四个输出区域靠近所述第二侧设置，并且其中，所述四个输出区域中的每一个与所述四个输出区域中的每另一个平行放置。

15.根据权利要求14所述的多通道光子解复用器，其中，所述四个输出区域中的相邻对彼此分离共同的分离距离。

16.至少一个机器可访问存储介质，其提供指令，当由机器执行时，所述指令将使所述机器执行用于生成光子集成电路的设计的操作，所述操作包括：

配置模拟环境以表示所述光子集成电路的初始描述，其中，所述模拟环境包括光学耦合在第一通信区域和多个第二通信区域之间的设计区域，其中，所述多个第二通信区域包括四个通信区域，并且其中，所述设计区域由所述模拟环境的结构参数定义；

将四个不同波长通道中的每一个映射到所述四个通信区域中的相应一个；

响应于对应于所述四个不同波长通道中所选的一个不同波长通道的激励源，在所述模拟环境中执行所述光子集成电路的操作模拟，以确定所述光子集成电路的性能度量；

至少部分地基于所述光子集成电路的所述性能度量和目标性能度量之间的差来确定损失度量；

通过所述模拟环境反向传播所述损失度量，以确定对应于所述结构参数的改变对所述损失度量的影响的结构梯度；以及

通过更新所述结构参数以至少部分地基于所述结构梯度来调整所述损失度量，来修订所述光子集成电路的设计。

17.根据权利要求16所述的至少一个机器可访问存储介质，其中，当执行所述操作模拟时，所述激励源源自所述第一通信区域，或者被设置为靠近所述第一通信区域。

18.根据权利要求17所述的至少一个机器可访问存储介质，其中，确定所述性能度量还包括当执行所述操作模拟时，确定所述激励源从所述第一通信区域通过所述设计区域到所述四个通信区域中映射到所述四个不同波长通道中所选的一个不同波长通道的相应一个通信区域的模拟功率传输。

19.根据权利要求18所述的至少一个机器可访问存储介质，其提供附加指令，当由所述机器执行时，所述指令将使所述机器执行进一步的操作，包括：

确定所述激励源从所述第一通信区域通过所述设计区域到所述四个通信区域中除了所述四个通信区域中映射到所述四个不同波长通道中所选的一个不同波长通道的相应一个通信区域之外的每另一个通信区域的附加模拟功率传输，以确定所述激励源的隔离。

20.根据权利要求16所述的至少一个机器可访问存储介质，其中，所述四个不同波长通道中的每一个的带通区域内的一个或多个波长被随机选择用于所述执行操作模拟，并且其中，所述多个不同波长通道中的每一个具有具有不同中心波长的公共带宽。

21.根据权利要求16所述的至少一个机器可访问存储介质，其提供附加指令，当由所述机器执行时，所述指令将使所述机器执行进一步的操作，包括：

提供用于所述模拟环境的所述设计区域的最小特征尺寸；和

基于所述最小特征尺寸确定制造损失，其中，所述损失度量至少部分地基于所述制造损失，并且其中，所述制造损失实施用于设计的所述最小特征尺寸，使得所述设计区域不具有宽度或间隔小于所述最小特征尺寸的结构元件。

22.根据权利要求21所述的至少一个机器可访问存储介质，其中，确定所述制造损失包括：

生成宽度等于所述最小特征尺寸的卷积核；

移动所述卷积核通过所述模拟环境的所述设计区域，以确定所述设计区域内的体素位置，其中所述体素位置与所述设计区域内的所述卷积核相匹配，而不延伸到所述设计区域之外；

将每个体素位置处的卷积核与和所述体素位置相关联的结构参数进行卷积，以确定第一制造值；

反演所述结构参数并将每个体素位置处的卷积核与反演的结构参数进行卷积，以确定第二制造值；以及

组合所述第一制造值和所述第二制造值以确定所述设计区域的所述制造损失。

23.根据权利要求16所述的至少一个机器可访问存储介质，其提供附加指令，当由所述机器执行时，所述指令将使所述机器执行进一步的操作，包括：

迭代地执行如下循环：模拟具有从所述四个不同波长通道中选择的激励源的光子集成电路、反向传播所述损失度量、以及通过更新所述结构参数来调整所述损失度量直到所述损失度量基本收敛为使得所述性能度量和所述目标性能度量之间的差在阈值范围内来修订设计。

24.根据权利要求23所述的至少一个机器可访问存储介质，其中，当执行所述循环时，所述集成光子电路的设计区域的结构参数被修订，以使所述光子集成电路的设计区域将所述四个不同波长通道中的每一个从经由所述第一通信区域接收的多通道光信号中光学分离，并基于所述映射将所述四个不同波长通道中的每一个引导到所述多个第二通信区域中对应的一个。

25.一种光子集成电路，包括：

第一通信区域；

多个第二通信区域，包括四个通信区域；和

色散区域，光学设置在所述第一通信区域和所述多个第二通信区域之间，其中，所述色散区域包括非均匀散布以形成多个界面的至少第一材料和第二材料，其中所述多个界面中的每个界面对应于所述色散区域的折射率的改变，其中，所述多个界面沿着所述色散区域的横截面区域形成材料界面图案，所述色散区域至少部分地被包括所述第二材料的外围区域包围，并且其中，所述材料界面图案被赋形为与能够通过权利要求20所述的方法获得的设计基本成比例。

26.根据权利要求25所述的光子集成电路，其中，所述第一通信区域被配置为接收包括四个不同波长通道的多通道光信号，其中，所述四个通信区域被配置为各自接收从所述多通道光信号解复用的所述四个不同波长通道中的相应一个不同波长通道，并且其中，所述色散区域基于所述设计被构造成当所述第一通信区域接收到所述多通道光信号时，从所述多通道光信号中光学分离所述四个不同波长通道中的每一个，并且分别将所述四个不同波长通道中的每一个引导到所述四个通信区中对应的一个。

27.根据权利要求25所述的光子集成电路，其中，所述四个通信区域被配置为各自接收四个不同波长通道中的相应一个，其中，所述色散区域基于所述设计被构造成当所述四个通信区域接收到所述四个不同波长通道中的相应一个时，将所述多个不同波长通道光学组合成多通道光信号，并且将所述多通道光信号引导到所述第一通信区域。