一种高性能硅基绝热微环设计方法及系统

本发明涉及光电子，尤其是指一种高性能硅基绝热微环设计方法及系统。

背景技术：

1、自1969年marcatili首次提出微环谐振器概念以来，经过数十年的技术演进，这一领域已成为硅光子学研究的热点。尽管微环谐振器在理论和实验上取得了诸多进展，但在实际应用中仍面临一系列挑战。首先，现有微环的性能对制造误差较为敏感，这限制了其在大规模生产中的应用潜力。微小的尺寸变化或制造偏差都可能导致谐振波长的显著偏移，从而影响器件的稳定性和可靠性。

2、为了解决此问题，绝热微环(adiabatic microring,简称am)作为一种特殊设计的微环谐振器应运而生。绝热微环利用绝热原理来减少波导模式转换过程中的能量损耗，从而提高了设备的制造容忍度，降低了由于制造误差引起的谐振波长偏移。这一特性使其在光通信、光信息处理和光子集成电路等领域具有广泛的应用前景。

3、然而，绝热微环在实际应用中同样面临一些问题。例如，当使用较宽的多模波导时，绝热微环可能会出现严重的模式损耗，或者需要超大的弯曲半径以避免损耗，这限制了其应用场景并占用了大量片上资源。此外，由于波导宽度仍然很窄，导致微环进行掺杂的空间较小，这不利于实际制造以及微环性能的提升。同时，较小的弯曲半径也可能导致严重的弯曲损耗，从而无法进一步提升器件性能。另一方面，尽管绝热微环在设计和实现上取得了一定的进展，但其自由频谱范围(free spectrum range,简称fsr)仍然较小，无法满足多场景应用的需求。这限制了绝热微环在更复杂、更广泛的应用场景中的适用性。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中使用较宽多模波导时出现严重的模式损耗、采用较小弯曲半径时可能出现严重的弯曲损耗、因波导宽度较窄导致微环掺杂空间小，以及较小的自由频谱范围。

2、第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种高性能硅基绝热微环设计方法，包括：

3、s101、根据待设计微环的自由频谱范围，利用双欧拉弯曲绘制所述待设计微环的半个外轮廓曲线；利用n阶贝塞尔曲线并根据传输损耗最小原则优化所述n阶贝塞尔曲线的控制点坐标，绘制出所述待设计微环的半个内轮廓曲线；其中，n为大于1的正整数；所述传输损耗为半个微环横向电场0阶模式传输损耗；

4、s102、根据所述半个外轮廓曲线和所述半个内轮廓曲线，获得半个优化微环；

5、s103、将两个所述半个优化微环拼接为完整的微环。

6、在本发明的一个实施例中，根据传输损耗最小原则优化所述n阶贝塞尔曲线的控制点坐标包括蚁群算法，所述蚁群算法为：

7、s201、每只蚂蚁随机初始化贝塞尔控制点的坐标；

8、s202、将所述蚂蚁对应曲线的坐标导入到软件中，计算半个微环横向电场0阶模式的传输损耗值；

9、s203、根据所述传输损耗值计算转移概率确定搜索方式；

10、s204、返回至所述s202中直至达到指定迭代次数，得到信息素最大蚂蚁的贝塞尔曲线的控制点坐标。

11、在本发明的一个实施例中，所述s101之前包括对所述双欧拉弯曲的参数确定和所述控制点坐标的初始化。

12、在本发明的一个实施例中，所述s101中还包括根据欧拉方程绘制所述双欧拉弯曲，得到所述双欧拉弯曲上各个点的坐标；将所述控制点坐标代入贝塞尔控制方程得到所述n阶贝塞尔曲线上各个点的坐标。

13、在本发明的一个实施例中，所述欧拉方程为：

14、

15、其中，x(s)为曲线在x轴坐标，y(s)为曲线在y轴坐标，s为归一化长度，r0为自由选择的半径，t为采样序列。

16、在本发明的一个实施例中，所述n阶贝塞尔曲线为5阶贝塞尔曲线时，所述控制点坐标的表达式为：

17、

18、其中，p1,p2,p3,p4p5,p6分别为不同的控制点坐标，w1和w2分别为不同的半个微环起止点波导宽度，bi为第i个比例参数，i∈{1,2,3,4}，r1和r2分别为不同的内轮廓x和y方向尺寸。

19、在本发明的一个实施例中，所述待设计微环包括上下总线波导与微环腔体。

20、第二方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种高性能硅基绝热微环设计系统，包括：

21、微环内外轮廓绘制模块，用于根据待设计微环的自由频谱范围，利用双欧拉弯曲绘制所述待设计微环的半个外轮廓曲线，利用n阶贝塞尔曲线并根据传输损耗最小原则优化所述n阶贝塞尔曲线的控制点坐标，绘制出所述待设计微环的半个内轮廓曲线；其中，n为大于1的正整数；所述传输损耗为半个微环横向电场0阶模式传输损耗；

22、微环拼接模块，用于根据所述半个外轮廓曲线和所述半个内轮廓曲线，获得半个优化微环，并将两个所述半个优化微环拼接为完整的微环。

23、第三方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种芯片，包括上述所述的一种高性能硅基绝热微环设计系统。

24、第四方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种光谱分析仪，包括上述的一种芯片。

25、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

26、本发明所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法及系统，采用双欧拉弯曲绘制待设计微环的半个外轮廓曲线、采用n阶贝塞尔曲线并根据传输损耗最小原则优化n阶贝塞尔曲线的控制点坐标绘制半个内轮廓曲线。这种方法设计的微环波导的外轮廓与内轮廓，显著提升了微环的整体性能。优化后的微环即使在波导宽度较大或弯曲半径较小的条件下，也能维持极低的单模损耗。这一设计不仅充分利用了宽波导的优势，如降低工艺误差敏感性、便于集成加热器和掺杂以提升加热与掺杂效率，还减少了因波导侧壁粗糙及工艺误差导致的性能下降。同时发挥了小弯曲半径的优势，如提高微环的自由频谱范围，满足多样化的应用需求。

技术特征：

1.一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，根据传输损耗最小原则优化所述n阶贝塞尔曲线的控制点坐标包括蚁群算法，所述蚁群算法为：

3.根据权利要求1所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，所述s101之前包括对所述双欧拉弯曲的参数确定和所述控制点坐标的初始化。

4.根据权利要求1所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，所述s101中还包括根据欧拉方程绘制所述双欧拉弯曲，得到所述双欧拉弯曲上各个点的坐标；将所述控制点坐标代入贝塞尔控制方程得到所述n阶贝塞尔曲线上各个点的坐标。

5.根据权利要求4所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，所述欧拉方程为：

6.根据权利要求1所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，所述n阶贝塞尔曲线为5阶贝塞尔曲线时，所述控制点坐标的表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种高性能硅基绝热微环设计方法，其特征在于，所述待设计微环包括上下总线波导与微环腔体。

8.一种高性能硅基绝热微环设计系统，其特征在于，包括：

9.一种芯片，其特征在于，包括权利要求8所述的一种高性能硅基绝热微环设计系统。

10.一种光谱分析仪，其特征在于，包括权利要求9所述的一种芯片。

技术总结本发明涉及一种高性能硅基绝热微环设计方法及系统，属于光电子技术领域。包括：根据待设计微环的自由频谱范围，利用双欧拉弯曲绘制待设计微环的半个外轮廓曲线；利用N阶贝塞尔曲线并根据传输损耗最小原则优化N阶贝塞尔曲线的控制点坐标，绘制出待设计微环的半个内轮廓曲线；其中，N为大于1的正整数；传输损耗为半个微环横向电场0阶模式传输损耗；根据半个外轮廓曲线和半个内轮廓曲线，获得半个优化微环；将两个半个优化微环拼接为完整的微环。本发明避免了在使用较宽多模波导时出现严重的模式损耗和在采用小弯曲半径设计时出现的严重弯曲损耗、克服了因波导宽度受限而导致对微环进行掺杂空间狭小的问题。同时，增大了微环的自由光谱范围。技术研发人员：陈宇,刘宁受保护的技术使用者：苏州大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6