CN116962916A - 一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,所述路由器包括正方形器件主体、分布在器件主体一侧的长方形光源导入端口、分布在器件主体另一侧的长方形上光源导出端口和长方形下光源导出端口,其中:器件主体被二氧化硅覆盖,且内部均匀分布有多个区块;各区块的中心区域刻蚀有二氧化硅柱,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况基于遗传算法优化确定;光源导入端口,用于导入入射光源到器件主体内部;上光源导出端口能够在器件不加热的情况下,从入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,且,下光源导出端口能够在器件加热的情况下,从入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,从而实现可调谐的功能。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域,具体而言,涉及一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器。
背景技术
近些年来,光波长路由器是光通信和光信息处理系统中一个非常重要的器件,它是将一束包含多种不同波长的光信号按波长分开,并且按照不同通道输出的滤波器。随着光通信系统容量的不断扩大和光集成度的不断提高,对于波长信号分离设备集成化、小尺度的要求也越来越高,尤其是光波长路由器。然而,传统的光波长路由器的设计都是基于微环谐振器,这类器件虽然性能较好,但是器件的尺寸限制了芯片上密集集成的应用。
发明内容
本申请实施例的目的在基于提供一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,可以在片上将遗传算法与热调谐相结合,能够实现在芯片上的密集集成应用。
本申请实施例还提供了一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,其特征在于,所述路由器包括正方形器件主体1、分布在器件主体1一侧的长方形光源导入端口2、分布在器件主体1另一侧的长方形上光源导出端口3和长方形下光源导出端口4,其中:
所述器件主体1被二氧化硅覆盖,且内部均匀分布有多个区块5;
各区块5的中心区域刻蚀有二氧化硅柱,其中,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况基于遗传算法优化确定;
所述光源导入端口2,用于导入入射光源到器件主体1内部;
所述上光源导出端口3能够在器件未加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,且,所述下光源导出端口4能够在器件加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,从而实现可调谐的功能。
在其中一个实施例中,所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的制作材料、宽度以及高度均保持一致;
所述光源导入端口2设于所述器件主体1的一侧,且其横向对称轴与所述器件主体1的横向对称轴重合;
所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4,上、下对称设于所述器件主体1的另一侧。
在其中一个实施例中,所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的制作材料均为硅;
所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的宽度均取值为500nm,且高度均取值为220nm。
在其中一个实施例中,所述器件主体1的宽度取值为3.6um,高度取值为220nm;
器件主体内部分布的每个区块均存在两种状态,包括对应未刻蚀的中间不打孔状态、以及对应刻蚀二氧化硅柱的中间打孔状态。
在其中一个实施例中,各区块5内的二氧化硅柱的刻蚀半径的取值为0nm或45nm,且同层中,相邻二氧化硅柱的孔心间的间隔距离取值为120nm。
在其中一个实施例中,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况,基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,得以优化确定。
在其中一个实施例中,所述基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,包括:
将优化区域分成M*N的像素点,其中,每个像素点分别对应一个区块;
初步设定硅材料的折射率,以初步模拟硅材料的加热状态;
将像素点的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,并以此构建多个初始种群;
针对所述多个初始种群中的每个种群,计算种群中每个个体的适应度,以及基于每个个体的适应度,进行优良个体的选择;
基于优良个体之间的交叉操作,遗传产生新一代种群。
在其中一个实施例中,所述多个初始种群中的每个种群均由M*N+1个个体组成,其中,前(M*N)个个体为优化区域内各像素点的刻蚀状态,最后一个个体为可选择的多种材料的折射率。
在其中一个实施例中,所述计算种群中每个个体的适应度,包括:
针对种群中每个个体,获取每个个体在未加热时经由上光源导出端口3输出光信号的第一透射率,以及在模拟加热时经由下光源导出端口4输出光信号的第二透射率;
基于相应第一透射率和相应第二透射率的求和结果,确定每个个体的适应度。
由上可知,本申请实施例提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,采用遗传算法,将物理问题转换为数学问题,其中将器件主体内各区块的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,使用遗传算法,使得优化出来的器件可以在不加热的情况下从上光源导出端口导出相应波长的光信号,给器件加热后能够在下光源导出端口输出相应波长的光信号,实现可调谐的功能。相较于传统的正向设计,本申请提出的逆向设计方法,能够高效搜索到更大的参数空间,且在保证器件性能的同时也能够极大地缩小器件尺寸,提高了器件集成度。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,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实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、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
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器的结构示意图;
图2为本申请实施例提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器的结构解析示意图;
图3为基于逆向设计的光波长路由器优化完成后,上光源导出端口的输出、模拟加热时下光源导出端口的输出。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1,图1是本申请一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,所述路由器包括正方形器件主体1、分布在器件主体1一侧的长方形光源导入端口2、分布在器件主体1另一侧的长方形上光源导出端口3和长方形下光源导出端口4,其中:
所述器件主体1被二氧化硅覆盖,且内部均匀分布有多个区块5。
各区块5的中心区域刻蚀有二氧化硅柱,其中,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况基于遗传算法优化确定。
具体的,请参考图2,在图2中器件主体内呈圆形的白色区块,示意了在区块的中心区域刻蚀有二氧化硅柱,具体实施的时候,该区块的刻蚀状态被定义为刻蚀二氧化硅柱状态。图2中呈圆形的灰色区块,示意了在区块的中心区域刻蚀有半径为0nm的二氧化硅柱,即在区块的中心区域不打孔,具体实施的时候,该区块的刻蚀状态为未刻蚀状态。
所述光源导入端口2,用于导入入射光源到器件主体1内部。
具体的,所述光源导入端口2,用于接收入射光源,并导入所述入射光源到器件主体1的内部。
在其中一个实施例中,所述入射光源中汇合有中心波长为1550nm的光信号。
所述上光源导出端口3能够在器件未加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,且,所述下光源导出端口4能够在器件加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,从而实现可调谐的功能。
具体的,基于遗传算法优化后的器件,能够在未加热的情况下,通过上光源导出端口3从入射光源中分离、并导出1550nm的光信号;以及,在模拟整体加热的情况下,通过下光源导出端口4从入射光源分离出1550nm的光信号,从而实现可调谐的功能。
由上可知,本申请提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,基于逆向设计方法,使得优化后的器件能够在不加热的情况下,从上光源导出端口导出相应波长的光信号,以及在加热时,能够从下光源导出端口输出相应波长的光信号,实现了可调谐的功能。
在其中一个实施例中,所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的制作材料、宽度以及高度均保持一致。
具体的,光源导入端口2、上光源导出端口3、以及下光源导出端口4的宽度以及高度保持一致,如此设计将有助于提高器件的性能、可靠性和制造效率。
所述光源导入端口2设于所述器件主体1的一侧,且其横向对称轴与所述器件主体1的横向对称轴重合。
具体的,请参考图1和图2,当前实施例中,所述光源导入端口2设于所述器件主体1的左侧中间位置,且其横向对称轴与所述器件主体1的横向对称轴重合。
所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4,上、下对称设于所述器件主体1的另一侧。
具体的,请参考图1和图2,当前实施例中,所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4设于所述器件主体1的右侧,其中,所述上光源导出端口3位于所述器件主体1的右侧上端,所述下光源导出端口4位于所述器件主体1的右侧下端,整体呈上、下对称状态。
在其中一个实施例中,所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的制作材料均为硅。
需要说明的是,考虑到硅材料因其丰富性、半导体特性、高温稳定性、制造成熟度和可控性等优点,现已成为了集成电路和微电子器件制造的首选材料。当前实施例中,考虑将光源导入端口2、上光源导出端口3、以及下光源导出端口4的制作材料选定为硅。
所述光源导入端口2、所述上光源导出端口3、以及所述下光源导出端口4的宽度均取值为500nm,且高度均取值为220nm。
具体的,图2中标记“1”、“4”、“5”示意的即是光源导入端口2、上光源导出端口3、以及下光源导出端口4的高度范围。当前实施例中,将这3个端口的高度统一设定为220nm。
在其中一个实施例中,所述器件主体1的宽度取值为3.6um,高度取值为220nm。
具体的,图2中标记“2”、“3”示意的即是器件主体的高度范围,以及宽度范围。当前实施例中,考虑将器件主体的高度与光源导入端口2、上光源导出端口3、以及下光源导出端口4保持一致,即设定为220nm,并将器件主体的宽度设定为3.6um。
器件主体内部分布的每个区块均存在两种状态,包括对应未刻蚀的中间不打孔状态、以及对应刻蚀二氧化硅柱的中间打孔状态。
具体的,请参考图2,对应未刻蚀的中间不打孔状态即为图2中示意的灰色区块,对应刻蚀二氧化硅柱的中间打孔状态即为图2中示意的白色区块。由图2可以得知,器件主体内部基于遗传算法优化得到的二氧化硅柱的刻蚀半径,整体分布并不均匀。
在其中一个实施例中,各区块5内的二氧化硅柱的刻蚀半径的取值为0nm或45nm,且同层中,相邻二氧化硅柱的孔心间的间隔距离取值为120nm。
具体的,请参考图2,图2中的标记“10”示意的即是二氧化硅柱的刻蚀半径所涵盖的范围。另外,相邻二氧化硅柱的孔心间的间隔距离即为图2中标记“8”和标记“9”示意的间隔范围。
在其中一个实施例中,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况,基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,得以优化确定。
当前实施例中,将物理问题转换为数学优化问题,选定器件主体内各区块的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,使用遗传算法使得优化出来的器件,可以在不加热的情况下在上光源导出端口输出中心波长为1550nm的光信号,以及在给器件加热后,能够在下光源导出端口输出中心波长为1550nm的光信号,实现可调谐的功能。
在其中一个实施例中,所述基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,包括:
步骤S1、将优化区域分成M*N的像素点,其中,每个像素点分别对应一个区块。
具体的,当前实施例中,会根据器件主体的大小,将优化区域分成30*30的像素点,其中,每个像素点分别对应器件内部的一个区块。
步骤S2、初步设定硅材料的折射率,以初步模拟硅材料的加热状态。
具体的,考虑到硅材料加热后,将引起折射率的变化,为了模拟器件的加热情况,当前实施例中考虑基于硅材料的折射率变化,进一步反映加热情况。需要说明的是,硅材料的热光效应是通过改变硅的温度来实现折射率的改变,从而使波长进行平移。
在其中一个实施例中,硅材料的折射率变化公式为:
dn/dT=1.87*10-4K-1;
其中,n表示硅材料的折射率,T表示硅材料的温度,K表示温度的单位,通常是开尔文(Kelvin)。需要说明的是,折射率n随温度T变化的变化率(即dn/dT)通常是一个常数,它表示单位温度变化时折射率的变化量。这个常数通常表示为0.000187K-1,意味着每增加1开尔文的温度,折射率将随之增加0.000187。
步骤S3、将像素点的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,并以此构建多个初始种群。
具体的,当前实施例中,会选择将像素点的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,并以此构建102个初始种群。
步骤S4、针对所述多个初始种群中的每个种群,计算种群中每个个体的适应度,以及基于每个个体的适应度,进行优良个体的选择。
具体的,每个个体的适应度与最终所要达到的实施效果相关,例如,若最终需要考虑在器件未加热时,从上光源导出端口导出相应波长光信号,以及在给器件加热时,能够进一步调谐从下光源导出端口导出相应波长光信号;此时,可以根据两种情况下的信号透射率进一步构建适应度函数,并基于该适应度函数计算种群中每个个体的适应度。
需要说明的是,当前实施例中,通过定义适应度函数,并基于该适应度函数来描述优化目标,并基于该优化目标优化设计区块内二氧化硅柱的刻蚀半径。
进一步的,优良个体的选择可以考虑采用轮盘赌选择策略,该策略认为适应度越高的个体占比会越高,则其被选中的概率也就越大。当前实施例中,将基于轮盘赌选择策略从每个种群中选出102个优良个体。
步骤S5、基于优良个体之间的交叉操作,遗传产生新一代种群。
具体的,交叉操作就是指将两个父代的某一部分进行互换或者是重新组合,得到的新两个子代取代它们。在其中一个实施例中,考虑采用两点交叉,通过随机选择两个交叉点进行新子代的生成。需要说明的是,交换基因的选择方式可以是选择交换在交叉点上的基因,也可以是选择交换交叉点基因之后、或之前、或者中间的两段染色体段。
在其中一个实施例中,所述多个初始种群中的每个种群均由M*N+1个个体组成,其中,前(M*N)个个体为优化区域内各像素点的刻蚀状态,最后一个个体为可选择的多种材料的折射率。
具体的,所述多个初始种群中的每个种群均由901个个体组成,其中,前900个个体为优化区域内各像素点的刻蚀状态,最后一个个体为可选择的50种材料的折射率。迭代优化的过程中,将从这50种材料的折射率中选择出最优的折射率,并以此模拟器件加热情况。
在其中一个实施例中,步骤S4中,所述计算种群中每个个体的适应度,包括:
步骤S41、针对种群中每个个体,获取每个个体在未加热时经由上光源导出端口3输出光信号的第一透射率,以及在模拟加热时经由下光源导出端口4输出光信号的第二透射率。
步骤S42、基于相应第一透射率和相应第二透射率的求和结果,确定每个个体的适应度。
具体的,当前实施例中将通过下述公式确定每个个体的适应度FOM:
FOM=T11+T22;
其中,T11为器件未加热时,从上光源导出端口输出的中心波长为1550nm的光信号的透射率,即第一透射率;T11为模拟加热时,从下光源导出端口输出的中心波长为1550nm的光信号的透射率,即第二透射率。
进一步的,请参考图3,其为波长路由器优化完成后,每个输出端口的透射光谱设计图。通过该图可知,当光源输入端口注入宽谱光源(1520nm~1600nm)时,可以看到对于上光源导出端口,1550nm波段的峰值插入损耗低于4.8dB,改变硅材料的折射率(模拟加热)后,可以看到对于下光源导出端口,1550nm波段的峰值插入损耗也是低于4.8dB的,由此可以看出,通过遗传算法优化出来的器件结构,可以实现加热可调谐。其中,在不加热时,能够从上光源导出端口输出中心波长为1550nm的光信号,且加热后,能够从下光源导出端口输出中心波长为1550nm的光信号。
综上所述,本申请实施例提供的一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,采用遗传算法,将物理问题转换为数学问题,其中将器件主体内各区块的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,使用遗传算法,使得优化出来的器件可以在不加热的情况下从上光源导出端口导出相应波长的光信号,给器件加热后能够在下光源导出端口输出相应波长的光信号,实现可调谐的功能。相较于传统的正向设计,本申请提出的逆向设计方法,能够高效搜索到更大的参数空间,且在保证器件性能的同时也能够极大地缩小器件尺寸,提高了器件集成度。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
另外,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,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,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单元来实现本实施例方案的目的。
再者,在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分,也可以是各个模块单独存在,也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请的保护范围,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器,其特征在于,所述路由器包括正方形器件主体(1)、分布在器件主体(1)一侧的长方形光源导入端口(2)、分布在器件主体(1)另一侧的长方形上光源导出端口(3)和长方形下光源导出端口(4),其中:
所述器件主体(1)被二氧化硅覆盖,且内部均匀分布有多个区块(5);
各区块(5)的中心区域刻蚀有二氧化硅柱,其中,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况基于遗传算法优化确定;
所述光源导入端口(2),用于导入入射光源到器件主体(1)内部;
所述上光源导出端口(3)能够在器件未加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,且,所述下光源导出端口(4)能够在器件加热的情况下,从所述入射光源中分离、并导出相应波长的光信号,从而实现可调谐的功能。
2.根据权利要求1所述的光波长路由器,其特征在于,所述光源导入端口(2)、所述上光源导出端口(3)、以及所述下光源导出端口(4)的制作材料、宽度以及高度均保持一致;
所述光源导入端口(2)设于所述器件主体(1)的一侧,且其横向对称轴与所述器件主体(1)的横向对称轴重合;
所述上光源导出端口(3)、以及所述下光源导出端口(4),上、下对称设于所述器件主体(1)的另一侧。
3.根据权利要求2所述的光波长路由器,其特征在于,所述光源导入端口(2)、所述上光源导出端口(3)、以及所述下光源导出端口(4)的制作材料均为硅;
所述光源导入端口(2)、所述上光源导出端口(3)、以及所述下光源导出端口(4)的宽度均取值为500nm,且高度均取值为220nm。
4.根据权利要求1所述的光波长路由器,其特征在于,所述器件主体(1)的宽度取值为3.6um,高度取值为220nm;
器件主体内部分布的每个区块均存在两种状态,包括对应未刻蚀的中间不打孔状态、以及对应刻蚀二氧化硅柱的中间打孔状态。
5.根据权利要求4所述的光波长路由器,其特征在于,各区块(5)内的二氧化硅柱的刻蚀半径的取值为0nm或45nm,且同层中,相邻二氧化硅柱的孔心间的间隔距离取值为120nm。
6.根据权利要求5所述的光波长路由器,其特征在于,各二氧化硅柱的刻蚀半径、以及模拟器件的加热情况,基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,得以优化确定。
7.根据权利要求6所述的光波长路由器,其特征在于,所述基于遗传算法通过每个个体的适应度的计算、基于适应度进行优良个体的选择、个体的交叉遗传,包括:
将优化区域分成M*N的像素点,其中,每个像素点分别对应一个区块;
初步设定硅材料的折射率,以初步模拟硅材料的加热状态;
将像素点的刻蚀状态、以及硅材料的折射率作为变量,并以此构建多个初始种群;
针对所述多个初始种群中的每个种群,计算种群中每个个体的适应度,以及基于每个个体的适应度,进行优良个体的选择;
基于优良个体之间的交叉操作,遗传产生新一代种群。
8.根据权利要求7所述的光波长路由器,其特征在于,所述多个初始种群中的每个种群均由M*N+1个个体组成,其中,前(M*N)个个体为优化区域内各像素点的刻蚀状态,最后一个个体为可选择的多种材料的折射率。
9.根据权利要求7所述的光波长路由器,其特征在于,所述计算种群中每个个体的适应度,包括:
针对种群中每个个体,获取每个个体在未加热时经由上光源导出端口(3)输出光信号的第一透射率,以及在模拟加热时经由下光源导出端口(4)输出光信号的第二透射率;
基于相应第一透射率和相应第二透射率的求和结果,确定每个个体的适应度。
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CN202310943005.7A CN116962916A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种基于逆向算法的可调谐光波长路由器 |
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