一种无序超均匀固体器件的网格优化方法

本发明涉及光电子器件，具体涉及一种优化无序超均匀固体器件网格结构的方法，从而改进片上集成无序超均匀固体器件光子带隙特性、光学损耗和加工误差。

背景技术：

1、近年来，无序超均匀固体(hyperuniform disordered solids)作为一种新兴的人造光子带隙结构受到了广泛关注。无序超均匀固体是一种无序结构，一般是由二维平面或三维空间中满足超均匀无序分布的点连接下次的网状结构构成。与传统周期性排列的光子晶体不同，无序超均匀固体在整体上不具备长程有序性、明显的重复性和周期性，但超均匀性和短程有序性使其仍能表现出光子带隙特性，并具有宽带完整光子带隙、各向同性、以及宽带低色散等独特优势。无序超均匀固体打破了以往只有长程有序结构具有光子带隙的观念，可以用于开发结构紧凑、光场传输方向灵活光学器件，并为解决传统人工带隙结构在涉及宽波段、不同偏振模式的应用中所面临的困境提供了新思路。到目前为止，利用无序超均匀固体对光场的调控能力，科研工作者设计和制造了各类基于无序超均匀固体的片上器件。但无序超均匀固体在引入波导缺陷线进行片上器件互连后结构遭到破坏，导致片上集成无序超均匀固体器件存在光子带隙特性劣化、光学损耗高和加工误差大的问题。优化无序超均匀固体的结构，开发高性能片上无序超均匀固体波导器件，是无序超均匀固体器件在片上进行大规模集成的基础。

2、在论文方面，研究者针对提高片上集成无序超均匀固体波导器件的性能发表了多篇研究成果。例如：2014年，milan m.等人在通信波段通过向无序超均匀固体中插入缺陷线设计了无序超均匀固体波导(11th international conference on group ivphotonics ieee,33-34,2014)，发现通过向结构中引入直线波导缺陷线形成的波导相比于直接连续填充无序超均匀固体的孔结构形成的波导具有更低的光学损耗。2019年，milanm.等人又在硅-绝缘体(silicon-on-insulator)晶圆上设计了近红外(near-ir)波段的无序超均匀固体波导器件(scientific reports 9,20338,2019)，通过调整波导缺陷线与两侧网格壁的角度接近垂直进一步降低无序超均匀固体波导的光学损耗。2023年，万典等人通过提出一种无序超均匀固体的形貌修饰方法，在贝塞尔曲线修饰后的10μm长的无序超均匀波导中可以实现1.5db的透射率提高，并在贝塞尔曲线修饰后的2μm半径微环中观测到26％的品质因数提升，为优化无序超均匀器件开辟了新的途径。然而，上述优化方法具有一定的局限性。在无序超均匀固体的无序网状结构中引入波导缺陷线后，波导缺陷线两侧残留的缺陷孔对结构的光学特性产生扰动并引起剧烈光散射，导致无序超均匀波导器件的光子带隙特性劣化和光学损耗增加。此外，这些微小的不规则缺陷孔难以精确加工，这进一步提高了无序超均匀波导器件的加工误差。

3、在专利方面，2017年，etaphase公司的mullen ruth ann等人申请了一种无序超均匀固体波导器件优化方法的美国专利(us10031288b2)，该方法通过在无序超均匀固体与波导间构造由周期性或准周期性结构构成的平滑有序过渡区设计了无序超均匀固体波导器件，但该方法中有序过渡区会影响无序超均匀固体与波导中光场的相互作用，导致光子带隙特性劣化。2023年，天津大学的万典等人申请了一种基于形貌修饰的无序超均匀固体器件优化方法的中国专利(cn202310698203.1)，该专利通过曲线函数或曲面函数对无序超均匀固体器件的几何形貌进行调整，从而优化无序超均匀固体器件的光子带隙和光学损耗特性，但由于形貌修饰方法并未考虑向无序超均匀固体中引入波导缺陷线后产生的性能劣化，导致该方法对无序超均匀固体波导集成器件中光学损耗的优化效果受限。

4、综上所述，虽然无序超均匀固体的研究近年来得到了快速的发展，但是无序超均匀固体的无序网格结构在引入波导缺陷线后会形成大量的缺陷孔，导致无序超均匀固体波导器件存在光子带隙畸变、光学损耗高与加工误差大的问题，使得片上无序超均匀固体器件难以通过波导与其他片上器件互连，这阻碍了无序超均匀固体在大规模片上集成中的应用。开发一种能够有效优化无序超均匀固体网格结构的方法，用以提升无序超均匀固体波导器件的光子带隙特性、光学损耗和加工误差等性能，具有较高的实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种优化无序超均匀固体器件网格结构进而改进无序超均匀固体波导器件光子带隙、光学损耗和加工误差的方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种无序超均匀固体器件的网格优化方法，通过对无序超均匀固体器件的边界网格进行调控产生规则网格壁，避免插入波导缺陷线后产生额外缺陷孔，优化无序超均匀固体器件的光子带隙特性，具体包括以下步骤：

4、(1)设计基点区域；

5、(2)在基点区域内插入规则分布的基点得到规则点分布；

6、(3)在基点区域外生成随机点分布并进行点优化，得到无序超均匀点分布；

7、(4)对规则点分布进行三角剖分在基点区域内形成规则分布的格点；对无序超均匀点分布进行三角剖分得到无序超均匀固体器件网状结构的格点；

8、(5)在所有格点中连接相邻的格点形成网格壁，网格壁中包括有若干孔结构，构建无序超均匀固体器件，无序超均匀固体器件中具有能被波导缺陷线完整覆盖的规则孔结构，完成网格优化；

9、(6)通过向无序超均匀固体器件中引入波导缺陷线构建波导集成器件。

10、进一步的，所述波导缺陷线是由任意取向的直线、圆弧线、椭圆弧线、欧拉曲线、贝塞尔曲线、高斯曲线中的一种或若干种组合而成的任意数量的线形。

11、进一步的，所述规则分布的基点分布于由直线、圆弧线、椭圆弧线、欧拉曲线、贝塞尔曲线、高斯曲线中的一种或若干种组合而成的任意数量线形上。

12、进一步的，所述的网格壁材料是硅、锗、硅锗合金、氮化硅、铌酸锂、硫化物中的任意一种。

13、进一步的，所述的孔结构是由空气、二氧化硅、氮化硅中的一种或若干种填充而成。

14、进一步的，所述的无序超均匀固体器件是二维平面结构或三维立体结构。

15、进一步的，所述的无序超均匀固体器件的工作波长为微波、thz波、中红外波段或近红外波段。

16、进一步的，形成的规则的网格壁可以分布在无序超均匀固体器件的边界；也可以分布在无序超均匀固体器件中的任意位置。

17、进一步的，形成的规则的网格壁可以沿由任意取向的直线、圆弧线、椭圆弧线、欧拉曲线、贝塞尔曲线、高斯曲线中的一种或多种组合而成的任意数量线形分布。

18、进一步的，网格壁形状可以是由直线、圆弧线、椭圆弧线、欧拉曲线、贝塞尔曲线、高斯曲线中的一种或多种组合而成的简单多边形或复合形状。

19、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

20、(1)与现有的通过调整波导缺陷线两侧无序超均匀固体网格壁的角度和替换两侧无序超均匀固体网格壁为周期性或准周期性的平滑有序过渡区进行优化的方法相比，本发明所提出的网格优化无序超均匀固体波导器件能够使波导中光场与无序超均匀固体充分作用的条件下具有更好光子带隙性能与光场调控能力。通过调整波导缺陷线与两侧网格壁的角度接近垂直来降低光学损耗，会引起光子带隙畸变的加剧，导致波导器件光子带隙性能退化。替换两侧无序超均匀固体网格壁为周期性或准周期性的平滑有序过渡区后，平滑有序过渡区与波导中光场的相互作用较强，而光场与无序超均匀固体的相互作用被弱化，引起波导器件光子带隙性能退化。本发明通过形成规则网格壁结构，无需替换两侧无序超均固体网格壁为平滑有序过渡区，能够避免无序超均匀固体的带隙发生畸变，使得无序超均匀固体波导器件在更宽的波段内具有完整的光子带隙性能与更强的光场调控能力。

21、(2)与现有的基于形貌修饰优化方法相比，本发明所提出的网格优化方法的光学损耗更低。现有的形貌修饰方法在设计时只是针对孔进行贝塞尔曲线修饰，并未考虑在向无序超均匀固体中引入波导缺陷线后会产生不规则缺陷孔，导致该方法优化无序超均匀固体波导集成器件的光学损耗效果受限。本发明针对无序超均匀固体中的无序网格壁结构进行了调控，避免引入波导缺陷线后产生额外缺陷孔，进一步降低了无序超均匀固体波导器件的光学损耗。

22、(3)基于网格优化的无序超均匀固体器件的制作与多项目晶圆(multi-projectwafer)工艺的匹配度更高，避免了引入波导缺陷线时产生不规则缺陷孔，从而避免了难以加工的微小复杂结构，降低了加工误差，有利于开发低成本、高质量、高密度集成的无序超均匀固体集成光子回路(photonic integrated circuits)，有利于实现高性能大规模片上集成器件。

23、(4)本发明技术方案为无序超均匀固体器件结构设计提供更高的设计自由度。通过在无序超均匀固体中形成规则网格壁结构，避免片上器件设计中引入特定缺陷后产生额外不规则缺陷孔，规避了额外不规则缺陷孔对片上器件设计的影响，使得无序超均匀固体能够在保持器件性能同时以更高的自由度进行片上器件设计。

24、(5)本发明方案适用于面向各类应用的无序超均匀固体器件设计，具有广泛的适用性。不仅可以应用于片上无序超均匀固体波导的设计，也可应用于偏振器、滤波器、微腔、激光器和传感器等片上集成器件的设计，还可以用于超表面、捕光板等非片上集成的器件设计，为开发面向信号处理、非线性、传感等应用的无序超均匀固体器件开辟了一条新的途径。