[发明专利]一种全混洗片上光网络及设计方法

权利要求书

1.一种全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

优化基本光交换器件，设计基本光交换器件的初始结构，基本光交换器件的初始结构包括衬底和设于衬底上的顶层硅，顶层硅包括第一优化区，第一优化区的两侧分别连接有八个输入波导和八个输出波导，使用分段优化法对第一优化区进行优化，得到超紧凑、超低插损的左混洗变换器件或左逆混洗变换器件；

优化2×2光开关，设计2×2光开关的初始结构，2×2光开关的初始结构包括第二优化区，第二优化区两侧分别连接有两个输入波导和两个输出波导，第二优化区初始状态为非晶态的Sb₂Se₃，将第二优化区划分为N×M个第二像素点，每个第二像素点的状态为‘0’和‘1’，分别代表非晶态和晶态，使用直接二进制搜索对第二优化区进行探索寻优，得到第二优化区内非晶态和晶态Sb₂Se₃的分布；

将四个2×2光开关做为一级光开关，相邻的两级光开关通过基本光交换器件连接，组成一个可重排、无阻塞片的片上光网络；

所述分段优化法包括以下步骤：

步骤一，将第一优化区划分为X×Y个第一像素点，背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m，每个像素的介电常数值ε可以取区间[ε_b，ε_m]中任何值；

步骤二，介电常数灰度优化，求得当前情况下的全局梯度信息，需满足：

其中，第一优化区中的每个第一像素点的介电常数ε为背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m之间的任何一个值，FOM为关于电场E和介电常数ε的函数，(1)式中的右边第一项由伴随法可得，需满足：

其中，E^adj(ε)是伴随仿真得到的电场分布，E^fwd(ε)是前向仿真得到的电场分布，

(1)式的右边第二项可以通过回溯FOM的定义方式求得，

FOM＝∑T_ij     (3)

其中T_ij代表从左边的输入波导i输入，右边的输出波导j输出的透过率，由此可得到全局梯度信息，再根据梯度信息对ε进行调整即可作为一次优化迭代，迭代到FOM值收敛；

步骤三，介电常数二值化，通过投影将选取的介电常数ε二值化到ε_b或ε_m，进行一次投影操作后，再进行优化迭代，用来恢复由于二值化带来的性能退化；

步骤四，直接二进制搜索对器件结构进一步优化，将像素点分别设为‘1’或‘0’，若FOM提升，则保留结构，若FOM不提升，则还原为原来的结构，一直迭代到算法结束。

2.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤一中，所述背景为空气，ε_b＝1，所述材料为硅，ε_m＝3.48^2＝12.11，将其归一化，即每个像素的值为[0，1]中的任何值，每个像素的初始状态值为0.5。

3.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤二中，两个迭代之间FOM变化小于10^-4时FOM值收敛。

4.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤三中，进行一次投影操作后，再进行优化迭代的次数不超过20次。

5.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤四中，将10×10个第一像素点作为在直接二进制搜索优化中新的像素点进行优化。

6.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：第一优化区的尺寸为8μm×8μm，第一优化区被划分为400×400个20nm×20nm尺寸的第一像素点；第二优化区的尺寸为3.12μm×1.57μm，第二优化区被划分为26×13个120nm×120nm尺寸的第二像素点。