CN113569513B - 一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，该方法采用反向设计方法将结构区域设置成m×n的结构矩阵，按照数组的序号对应结构矩阵的位置上有a nm×a nm像素点，像素点被赋予了不同的初始值，然后利用FDTD算法和m×n的结构矩阵每个像素赋予的初值分别计算不同输入模式的输出端口中各个模式的比例，并按照结构矩阵数组中的序号找到结构矩阵中对应的位置进行变换操作，若操作后新的FOM值大于之前的FOM值，则保留这种结构变化，同时FOM被更新为新的结构的FOM，否则，反之；若FOM没有改变则局部最优解。本发明通过对器件区域的折射率分布不断改变，最终获得局部最优或全局最优解，大大提高了结构的精准程度，提高了硅基亚波长结构的性能。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光电子和量子信息技术领域，具体涉及一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法。
背景技术
量子计算(quantum computation)是基于量子力学基本原理的具有超强并行计算能力的全新计算方式。如果用二进制的“0”和“1”来表示信息,经典计算机中处理信息的经典比特(bit)在某个特定时刻只能处于“0”或者“1”，单次操作N个bit只能对2N个数中的1个数进行运算，而量子计算机中的量子比特(qubit)则可以处在|0>和|1>的任意叠加态(α|0>+β|1>)上，单次操作N个qubit能够同时实现对2N个数的并行运算,这种叠加特性使得量子计算机在处理某些特定问题如密码破译和数据搜索时具有超越经典计算机的明显优势。
通用型量子计算机的处理器由量子逻辑门(quantum logic gate)组成。量子逻辑门通过量子力学的幺正变换完成对量子比特的受控演化,是实现量子计算的基础。
在众多量子系统中,光量子系统凭借着它天然的优势,在几十年量子信息的发展过程中一直处于领先地位。光子是一种飞行的量子比特,其超快的传播速度非常利于作为信息传输的载体。光量子态在传输过程中,对环境噪声有着很好的免疫,在经历很长的传输距离和时间后仍然能够保持其相干性。同时,光子有很多自由度可以用来编码,包括光子的路径、偏振、轨道角动量、频率、时间等,同时在集成光学器件中,波导模式也可以用来编码信息。在所有量子系统中,光量子系统对硬件的要求是最低的,不需要在真空和低温的环境下操作,这降低了量子态的调控难度,同时使得光子系统最利于做原理展示和实验验证。
目前的主要研究方向有两类：一是在自由空间中操纵光子的线性光学量子计算，它操作简单、技术成熟，目前绝大多数量子计算方案都是在自由空间光学系统中首先被验证的，但其可扩展性差、稳定性差，非常容易受到环境因素扰动；二是基于集成芯片的光量子计算，芯片中通常使用光波导来构建复杂的光子回路。尽管波导芯片系统目前还是处于起步阶段，但是具有良好的可扩展性、稳定性和高集成度，因此前景广阔。同时，高维量子通信具有如下诸多优势：1)具有更大的信息容量；2)对噪声有更高的容忍度；3)增强了对量子克隆的鲁棒性；4)更显著地违反了定域理论和贝尔不等式。因此，近年来高维量子通信吸引了越来越多研究者的热切关注。
亚波长结构(Sub-Wavelength Structure，SWS)是一种周期远小于材料等效波长的阵列化结构，即周期Λ＜＜λ(2neff)，其中λ为真空波长，neff为等效折射率。由于其周期远小于波长，亚波长结构中只存在零级衍射，光的高阶衍射级次均不能向自由空间传播，只能束缚在结构内部，因此可将其整体视为一层各向异性的介质。通过将依照亚波长尺度变化的设计图案刻蚀在绝缘体上的硅材料(Silicon on insulator，SOI)表面，并填充其他的材料(如：空气、二氧化硅等)，可以实现具有目标功能的器件。
由于可以在超小尺度灵活改变波导介电常数，因此硅基亚波长结构可以对光场进行高效调控，实现超小型、高性能硅基光子器件。过去，在设计硅基光子器件时，主要依赖一些先验知识的物理模型或效应，然后依据经验通过简单的参数调整或参数扫描的方法来找出这些模型中能匹配所需功能的各几何尺寸参数的最佳点，这一设计过程在一定程度上是“盲目”的。通过参数调整或参数扫描来寻找器件的模型参数的设计方法属于“正向设计”。使用这种方式来设计的器件模型通常结构较简单，且一般具有一定理论物理模型，能通过解析法分析。通过参数扫描，我们能从一系列具有不同结构参数的器件中，人工挑出具有目标功能的器件。
然而，这种常规设计方式考虑的参量维度十分有限，且无法预知是否能达到比较好的结果。更重要的是一些具有特殊功能和尺寸要求的器件，通过采用这种方式并不能被设计得到。因此需要对现有硅基亚波长结构的设计方案进行进一步地改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供提升光量子逻辑门的性能的基于波导模式的高维片上多维逻辑门的制作方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，该方法包括以下步骤：
一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定结构区域的尺寸和像素点初始值：采用反向设计方法将所述结构区域设置成m×n的结构矩阵，按照数组的序号对应结构矩阵的位置上有a nm×a nm的像素点，像素点位置的中心设置有直径d nm的圆孔，所述圆孔的材料为Si或者SiO2，根据材料的不同像素点被赋予不同的初始值；
步骤2：利用FDTD算法和m×n的结构矩阵每个像素点赋予的初始值计算不同输入模式的输出端口中各个模式的比例，所述输入输出模式为TEi，并用其构成评价该结构的FOM，FOM表达式如下所示：
其中ti 1为输入TEi模式后目标模式的透过率，ti 2为输入TEi后其它模式的透过率，α为损耗和串扰的平衡因子，m为模式的数目，i＝0,1,2,…,m；
步骤3：按照结构矩阵数组中的序号找到结构矩阵中对应的位置进行结构转换操作：
操作1：如果对应位置中所述圆孔的材料是Si，则通过控制程序修改圆孔材料为SiO2，然后计算FOM得到新的FOM值；
操作2：如果对应位置中所述圆孔的材料是SiO2，，则通过控制程序修改圆孔材料为Si，然后计算FOM得到新的FOM值；
将操作1或操作2得到的新的FOM值和转换之前的FOM做比较，如果新的FOM值大于之前的FOM值，则保留这种结构转换操作后的结构，同时FOM被更新为新的结构的FOM，否则，保留原结构及其的FOM值；
步骤4：将一组随机生成的1～mn自然数序列，依次赋予结构矩阵对应数列的每一个像素，按照1～mn从小到大的顺序依次比较并保留FOM值大的FOM值及其对应结构矩阵，得到一轮优化的FOM和结构矩阵；
然后以这一轮的FOM和结构矩阵作为下一轮优化的初始FOM和结构矩阵，以此类推进行优化，倘若这一轮优化后FOM没有改变，此时得到局部最优解。
优选地，像素的初始值设置为0或者1。
优选地，所述m×n的结构矩阵中m和n的取值范围是10-50；
优选地，a nm×a nm的像素中a的取值范围是80nm–220nm。
优选地，所述圆孔直径d的取值范围是60nm-150nm。
优选地，所述结构区域的尺寸为2.5-4.5μm×1-2.5μm。
优选地，所述结构区域刻蚀深度h为150-250nm。
本发明有益的技术效果：本发明采用反向设计的方法，利用多模波导中的多个波导模式，不断转换矩阵结构，保留数值大的FOM值和对应机构，最终获得局部最优或全局最优解，得到结构精细的硅基亚波长高维量子逻辑门器件的设计，大大提高了光量子逻辑门的性能。
附图说明
图1为本发明一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例三维X门结构示意图。
图3为本发明实施例三维X输入TE0模式的传输图谱。
图4为本发明实施例三维X输入TE1模式的传输图谱。
图5为本发明实施例三维X输入TE2模式的传输图谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
与正向设计不同的另一种器件设计方法是“反向设计”。反向设计是指将器件区域视作一个“黑箱”，针对我们所需要的目标功能，对器件区域的折射率分布进行设计的过程。
根据普通无源SOI器件的工艺特点，器件区域的折射率通常表现为“被刻蚀”或“不被刻蚀”两种状态。当SOI器件的上包层为空气时，被刻蚀的部分其材料组成为空气，不被刻蚀的部分其材料组成为硅。
反向设计的整体思路是，根据器件的目标功能，设置一个品质因数(Figure ofmerit，FOM)，通过反向优化算法，找出一个能使得FOM最大化的器件形态。除此之外，器件的形态还通常需要满足一定的约束条件。较于传统的正向设计，反向设计方法开启了更大的参数空间，可以通过优化计算得到十分精细的结构，获得局部最优或全局最优解，充分利用现有高精度制作工艺与高性能计算能力。
本实施例就是利用了反向设计来实现基于波导模式的片上多维逻辑门的设计，本实施例的具体方案如下：
如图1所示，一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定结构区域的尺寸和像素点初始值：采用反向设计方法将所述结构区域设置成m×n的结构矩阵，所述m×n的结构矩阵中m和n的取值范围是12-50。按照数组的序号对应结构矩阵的位置上有a nm×a nm像素点，a的取值范围是100nm–200nm，像素点位置的中心有一个直径d nm的圆孔，d的取值范围是90nm-150nm，圆孔的材料为Si或者SiO2，根据材料的不同像素点被赋予不同的初始值，像素点的初始值设置为0或者1。结构初值赋值则是类比于模式转换器件的不对称结构，可以加快迭代计算的收敛。
这里所述结构区域的尺寸为2.5-4.5μm×1-2.5μm，所述结构区域刻蚀深度h为150-250nm。
步骤2：利用FDTD算法(FDTD算法，全称时域差分法，是一种光子器件的常用仿真方法)根据m×n的结构矩阵每个圆孔位置赋予的初值分别计算不同输入模式的输出端口中各个模式的比例(不同的结构矩阵对应的结构，在其输入端口输入不同模式后，输出端口中各个模式的比列均不相同)，输出端口中各个模式的比例是通过重积分的方法计算来的，是利用3D-FDTD算法仿真硅基光子无源器件时常用的一种分析模式成份的方法。
所述输入输出模式为TEi，并用其构成评价该结构的FOM，FOM表达式如下所示：
其中ti 1为输入TEi模式后目标模式的透过率，ti 2为输入TEi后其它模式的透过率，α为损耗和串扰的平衡因子，m为模式的数目，i＝0,1,2,…,m。
以TE0模式输入为例，目标转化成TE1模式，所以t0 1为输入TE0模式后TE1模式的透过率，所以t0 2为输入TE0模式后TE0或TE2模式的透过率；α为损耗和串扰的平衡因子，当α趋向0时，可得到一个损耗较低的结果，当α趋向1时，可得到一个串扰较低的结果。
步骤3：按照结构矩阵数组中的序号找到结构矩阵中对应的位置进行结构转换操作：
操作1：如果对应位置中所述圆孔的材料是Si，则通过控制程序修改圆孔材料为SiO2，然后重新计算FOM得到新的FOM值；
操作2：如果对应位置中所述圆孔的材料是SiO2，则通过控制程序修改圆孔材料为Si，然后重新计算FOM得到新的FOM值；
在操作1和2中转换不同材料的目的是为了改变该像素点中圆孔的材料，也就是圆孔中的折射率，从而成功地更调控器件中的折射率的分布，材料的改变圆孔位置对应的像素点的数值也随之改变。材料的转换是通过写脚本控制结构矩阵的变化，从而改变器件的结构。
将操作1或操作2得到的新的FOM值和转换之前的FOM做比较，如果新的FOM值大于之前的FOM值，则保留这种结构转换操作，同时FOM被更新为新的结构的FOM，否则FOM保持不变，变保留原结构；
步骤4：将一组随机生成的1～mn自然数序列，依次赋予结构矩阵对应数列的每一个像素，按照1～mn从小到大的顺序依次比较并保留较大的FOM和对应结构矩阵，得到一轮优化的FOM和结构矩阵；
由于m×n的结构矩阵每个矩阵元对应一种材料(Si或SiO2)，矩阵元的总数为mn。如果要利用结构矩阵得到我们想要的结构，需要完成2mn次比较才能得到，但这样费时费力，且很难完成，因此采用步骤4的方式，大大节约了计算的时间，提高了效率。
然后以这一轮的FOM和结构矩阵作为下一轮优化的初始FOM和结构矩阵，以此类推进行优化，倘若某一轮优化后FOM没有改变，此时得到局部最优解，这里的没有变化是指相邻的两轮之间的FOM,进行一轮优化后，FOM的值还没有改变优化，因此已经达到了最优值。
以上方法可以适用于设计多维的任意逻辑门结构，以下是采用本实施例的方法设计得到的一种三维X门。
如图2所示，本实施例得到的三维X门结构尺寸为3.6μm×1.8μm，刻蚀深度h为220nm，其中像素点的大小为150nm×150nm，像素点中心有一个直径100nm的圆孔，此时反向设计结构区域对应一个24×12的结构矩阵。
当输入TE0模式时输出TE1模式，输入TE1模式输出TE2模式，输入TE2模式输出TE0模式，此时即实现了X门操作。
图3-5分别为输入TE0模式、TE1模式和TE2模式的传输图谱，在1540nm-1560nm波段下，TE0模式转化成TE1模式的损耗<1dB,串扰<22dB；TE1模式转化成TE2模式的损耗<1.13dB,串扰<21.24dB；TE2模式转化成TE0模式的损耗<0.73dB,串扰<22.9dB。
采用本发明反向设计的方案，通过对器件区域的折射率分布不断改变，最终获得局部最优或全局最优解，大大提高了结构的精准程度，提高了硅基亚波长结构的性能。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定结构区域的尺寸和像素点初始值：采用反向设计方法将所述结构区域设置成m×n的结构矩阵，按照数组的序号对应结构矩阵的位置上有a nm×a nm的像素点，像素点位置的中心设置有直径d nm的圆孔，所述圆孔的材料为Si或者SiO2，根据材料的不同像素点被赋予不同的初始值；
步骤2：利用FDTD算法和m×n的结构矩阵每个像素点赋予的初始值计算不同输入模式的输出端口中各个模式的比例，所述输入输出模式为TEi，并用其构成评价该结构的FOM，FOM表达式如下所示：
其中ti 1为输入TEi模式后目标模式的透过率，ti 2为输入TEi后其它模式的透过率，α为损耗和串扰的平衡因子，m为模式的数目，i＝0,1,2,…,m；
步骤3：按照结构矩阵数组中的序号找到结构矩阵中对应的位置进行结构转换操作：
操作1：如果对应位置中所述圆孔的材料是Si，则通过控制程序修改圆孔材料为SiO2，然后重新计算FOM得到新的FOM值；
操作2：如果对应位置中所述圆孔的材料是SiO2，则通过控制程序修改圆孔材料为Si然后重新计算FOM得到新的FOM值；
将操作1或操作2得到的新的FOM值和转换之前的FOM做比较，如果新的FOM值大于之前的FOM值，则保留这种结构转换操作，同时FOM被更新为新的结构的FOM，否则，保留原结构的FOM；
步骤4：将一组随机生成的1～mn自然数序列，依次赋予结构矩阵对应数列的每一个像素点，按照1～mn从小到大的顺序依次比较并保留比较结构中数值FOM大的FOM和对应结构矩阵，得到一轮优化的FOM和结构矩阵；
然后以这一轮的FOM和结构矩阵作为下一轮优化的初始FOM和结构矩阵，以此类推进行优化，倘若这一轮优化后FOM没有改变，此时得到局部最优解。
2.如权利要求1所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，像素点的初始值设置为0或者1。
3.如权利要求1所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，所述m×n的结构矩阵中m和n的取值范围是10-50。
4.如权利要求1所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，anm×a nm的像素中a的取值范围是80nm–220nm。
5.如权利要求1所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，所述圆孔直径d的取值范围是60nm-150nm。
6.如权利要求1所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，所述结构区域的尺寸为2.5-4.5μm×1-2.5μm。
7.如权利要求6所述的一种基于波导模式的片上多维逻辑门设计方法，其特征在于，所述结构区域刻蚀深度h为150-250nm。
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