本發(fā)明涉及光電子，尤其是指一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、自1969年marcatili首次提出微環(huán)諧振器概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)演進(jìn)，這一領(lǐng)域已成為硅光子學(xué)研究的熱點(diǎn)。盡管微環(huán)諧振器在理論和實(shí)驗(yàn)上取得了諸多進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一系列挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)有微環(huán)的性能對(duì)制造誤差較為敏感，這限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力。微小的尺寸變化或制造偏差都可能導(dǎo)致諧振波長(zhǎng)的顯著偏移，從而影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。

2、為了解決此問(wèn)題，絕熱微環(huán)(adiabatic?microring,簡(jiǎn)稱(chēng)am)作為一種特殊設(shè)計(jì)的微環(huán)諧振器應(yīng)運(yùn)而生。絕熱微環(huán)利用絕熱原理來(lái)減少波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗，從而提高了設(shè)備的制造容忍度，降低了由于制造誤差引起的諧振波長(zhǎng)偏移。這一特性使其在光通信、光信息處理和光子集成電路等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3、然而，絕熱微環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中同樣面臨一些問(wèn)題。例如，當(dāng)使用較寬的多模波導(dǎo)時(shí)，絕熱微環(huán)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的模式損耗，或者需要超大的彎曲半徑以避免損耗，這限制了其應(yīng)用場(chǎng)景并占用了大量片上資源。此外，由于波導(dǎo)寬度仍然很窄，導(dǎo)致微環(huán)進(jìn)行摻雜的空間較小，這不利于實(shí)際制造以及微環(huán)性能的提升。同時(shí)，較小的彎曲半徑也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的彎曲損耗，從而無(wú)法進(jìn)一步提升器件性能。另一方面，盡管絕熱微環(huán)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上取得了一定的進(jìn)展，但其自由頻譜范圍(free?spectrum?range,簡(jiǎn)稱(chēng)fsr)仍然較小，無(wú)法滿(mǎn)足多場(chǎng)景應(yīng)用的需求。這限制了絕熱微環(huán)在更復(fù)雜、更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中使用較寬多模波導(dǎo)時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的模式損耗、采用較小彎曲半徑時(shí)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲損耗、因波導(dǎo)寬度較窄導(dǎo)致微環(huán)摻雜空間小，以及較小的自由頻譜范圍。

2、第一方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，包括：

3、s101、根據(jù)待設(shè)計(jì)微環(huán)的自由頻譜范圍，利用雙歐拉彎曲繪制所述待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)；利用n階貝塞爾曲線(xiàn)并根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化所述n階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出所述待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)；其中，n為大于1的正整數(shù)；所述傳輸損耗為半個(gè)微環(huán)橫向電場(chǎng)0階模式傳輸損耗；

4、s102、根據(jù)所述半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)和所述半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)，獲得半個(gè)優(yōu)化微環(huán)；

5、s103、將兩個(gè)所述半個(gè)優(yōu)化微環(huán)拼接為完整的微環(huán)。

6、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化所述n階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)包括蟻群算法，所述蟻群算法為：

7、s201、每只螞蟻隨機(jī)初始化貝塞爾控制點(diǎn)的坐標(biāo)；

8、s202、將所述螞蟻對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的坐標(biāo)導(dǎo)入到軟件中，計(jì)算半個(gè)微環(huán)橫向電場(chǎng)0階模式的傳輸損耗值；

9、s203、根據(jù)所述傳輸損耗值計(jì)算轉(zhuǎn)移概率確定搜索方式；

10、s204、返回至所述s202中直至達(dá)到指定迭代次數(shù)，得到信息素最大螞蟻的貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)。

11、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述s101之前包括對(duì)所述雙歐拉彎曲的參數(shù)確定和所述控制點(diǎn)坐標(biāo)的初始化。

12、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述s101中還包括根據(jù)歐拉方程繪制所述雙歐拉彎曲，得到所述雙歐拉彎曲上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；將所述控制點(diǎn)坐標(biāo)代入貝塞爾控制方程得到所述n階貝塞爾曲線(xiàn)上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

13、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述歐拉方程為：

14、

15、其中，x(s)為曲線(xiàn)在x軸坐標(biāo)，y(s)為曲線(xiàn)在y軸坐標(biāo)，s為歸一化長(zhǎng)度，r0為自由選擇的半徑，t為采樣序列。

16、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述n階貝塞爾曲線(xiàn)為5階貝塞爾曲線(xiàn)時(shí)，所述控制點(diǎn)坐標(biāo)的表達(dá)式為：

17、

18、其中，p1,p2,p3,p4p5,p6分別為不同的控制點(diǎn)坐標(biāo)，w1和w2分別為不同的半個(gè)微環(huán)起止點(diǎn)波導(dǎo)寬度，bi為第i個(gè)比例參數(shù)，i∈{1,2,3,4}，r1和r2分別為不同的內(nèi)輪廓x和y方向尺寸。

19、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述待設(shè)計(jì)微環(huán)包括上下總線(xiàn)波導(dǎo)與微環(huán)腔體。

20、第二方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括：

21、微環(huán)內(nèi)外輪廓繪制模塊，用于根據(jù)待設(shè)計(jì)微環(huán)的自由頻譜范圍，利用雙歐拉彎曲繪制所述待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)，利用n階貝塞爾曲線(xiàn)并根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化所述n階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出所述待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)；其中，n為大于1的正整數(shù)；所述傳輸損耗為半個(gè)微環(huán)橫向電場(chǎng)0階模式傳輸損耗；

22、微環(huán)拼接模塊，用于根據(jù)所述半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)和所述半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)，獲得半個(gè)優(yōu)化微環(huán)，并將兩個(gè)所述半個(gè)優(yōu)化微環(huán)拼接為完整的微環(huán)。

23、第三方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種芯片，包括上述所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

24、第四方面，為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種光譜分析儀，包括上述的一種芯片。

25、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

26、本發(fā)明所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，采用雙歐拉彎曲繪制待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)、采用n階貝塞爾曲線(xiàn)并根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化n階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)繪制半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)。這種方法設(shè)計(jì)的微環(huán)波導(dǎo)的外輪廓與內(nèi)輪廓，顯著提升了微環(huán)的整體性能。優(yōu)化后的微環(huán)即使在波導(dǎo)寬度較大或彎曲半徑較小的條件下，也能維持極低的單模損耗。這一設(shè)計(jì)不僅充分利用了寬波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)，如降低工藝誤差敏感性、便于集成加熱器和摻雜以提升加熱與摻雜效率，還減少了因波導(dǎo)側(cè)壁粗糙及工藝誤差導(dǎo)致的性能下降。同時(shí)發(fā)揮了小彎曲半徑的優(yōu)勢(shì)，如提高微環(huán)的自由頻譜范圍，滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求。

技術(shù)特征：

1.一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化所述n階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)包括蟻群算法，所述蟻群算法為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述s101之前包括對(duì)所述雙歐拉彎曲的參數(shù)確定和所述控制點(diǎn)坐標(biāo)的初始化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述s101中還包括根據(jù)歐拉方程繪制所述雙歐拉彎曲，得到所述雙歐拉彎曲上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；將所述控制點(diǎn)坐標(biāo)代入貝塞爾控制方程得到所述n階貝塞爾曲線(xiàn)上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述歐拉方程為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述n階貝塞爾曲線(xiàn)為5階貝塞爾曲線(xiàn)時(shí)，所述控制點(diǎn)坐標(biāo)的表達(dá)式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述待設(shè)計(jì)微環(huán)包括上下總線(xiàn)波導(dǎo)與微環(huán)腔體。

8.一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.一種芯片，其特征在于，包括權(quán)利要求8所述的一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

10.一種光譜分析儀，其特征在于，包括權(quán)利要求9所述的一種芯片。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種高性能硅基絕熱微環(huán)設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。包括：根據(jù)待設(shè)計(jì)微環(huán)的自由頻譜范圍，利用雙歐拉彎曲繪制待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)；利用N階貝塞爾曲線(xiàn)并根據(jù)傳輸損耗最小原則優(yōu)化N階貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出待設(shè)計(jì)微環(huán)的半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)；其中，N為大于1的正整數(shù)；傳輸損耗為半個(gè)微環(huán)橫向電場(chǎng)0階模式傳輸損耗；根據(jù)半個(gè)外輪廓曲線(xiàn)和半個(gè)內(nèi)輪廓曲線(xiàn)，獲得半個(gè)優(yōu)化微環(huán)；將兩個(gè)半個(gè)優(yōu)化微環(huán)拼接為完整的微環(huán)。本發(fā)明避免了在使用較寬多模波導(dǎo)時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的模式損耗和在采用小彎曲半徑設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的嚴(yán)重彎曲損耗、克服了因波導(dǎo)寬度受限而導(dǎo)致對(duì)微環(huán)進(jìn)行摻雜空間狹小的問(wèn)題。同時(shí)，增大了微環(huán)的自由光譜范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：陳宇,劉寧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6