多输入多输出型光子器件的自适应调制方法-江南体育平台app_江南体育网页版_江南平台注册

文档序号:34131600发布日期:2023-06-09阅读:123来源:国知局


1.本发明涉及光波导集成技术领域,多输的自调制尤其涉及多输入多输出型光子器件的入多自适应调制方法。


背景技术:

2.光子集成电路(photonic integrated circuit, pic)具有大带宽、输出适低延迟、型光低功耗的器件优点,被广泛用于高速通信、多输的自调制高性能计算和光神经网络系统中。入多pic的输出适成功源于将各种器件大规模的集成在一块芯片上。作为pic中的型光基本元件,分光器用于器件级光路连接,器件光资源分配,多输的自调制或并行向量矩阵运算。入多按场景需求,输出适将输入信号路由到不同的型光输出端口,实现高速数据通信和高性能计算。器件
3.现有分光器可分为固定型分光器和可调型分光器:固定型分光器是通过复杂的电磁数值仿真和优化算法设计出器件的结构,根据仿真结果制备器件,这种固定的分光器结构通常能够实现高性能和高集成度,且可制作成大规模结构;可调型分光器如多模干涉(multimode interferometer, mmi)型,马赫增德尔(mach zehnderinterferometer, mzi)型,微机电型(micro-electromechanical systems, mems)型,这种类型的分光器分光比可调,可作为一种通用型器件,适用于不同场景需求。
4.对于现有的固定型分光器,具有如下问题:1)器件功能单一:由于器件结构固定,每种器件结构只具有特定的功能,需要为每种需求单独准备不同器件,这种专用型器件的开发和制备造成极大的资源浪费。
5.2)应用场景受限:由于器件功能固定,对光的操控无法按照实时需求动态调整,使其只能适用于静态系统中,应用领域和范围受到极大限制。
6.3)逆向设计过程繁琐耗时:目前常见的光子学器件是通过软件仿真迭代优化出器件的最佳设计参数,但是大规模迭代仿真消耗大量时间和计算资源。
7.4)综合误差大:按照仿真结果制造出的器件往往不能产生最佳的性能。综合误差主要来自两个方面:一是仿真模型与真实物理结构的差异,造成了软件仿真的误差;二是实际器件加工过程中不可避免存在的工艺误差。两种误差的叠加使得最终的器件不能满足实际需求。
8.对于可调型分光器,具有如下问题:1)结构紧凑型差:为使器件分光比可调,须添加控制系统,导致器件的尺寸和复杂性急剧增加,不利于高密度大规模集成;2)按需调制困难:虽然器件具备调制能力,但是如何设置驱动信号,使得器件快速实现期望的分光功能,现在仍未有完美的解决方案。尤其在实时性系统中,无法快速使器件调节实现所需功能,距应用仍有一定差距。


技术实现要素:

9.本发明为解决上述问题,提供一种多输入多输出型光子器件的自适应调制方法。
10.本发明第一目的在于提供一种多输入多输出型光子器件的自适应调制方法,包括如下步骤:s1、构建多输入多输出型的光子器件;所述多输入多输出型的光子器件包括:多组输入端口、光子器件本体和多组输出端口;所述多输入多输出型的光子器件用于同时将同频率的非相干光信号按照可调节的功率分光比分配到各输出端口;s2、在某一驱动控制信号下,向所述多输入多输出型的光子器件的每一个输入端口依次施加已知功率为i的输入光,并在输出端口依次测量得到输出信号,得到分光比列信号(a
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,通过组合分光比列得到当前传输矩阵;s3、对比期望传输矩阵与当前传输矩阵,构建损失函数或误差函数,用以表征两者之间的差异;s4、将误差函数作为反馈信号来修正驱动控制信号,利用寻优迭代算法缩小误差,最终实现期望传输矩阵,此时期望传输矩阵对应的驱动控制信号为期望的驱动控制信号。
11.优选的,光子器件本体包括多组耦合区波导和幅度调制区波导;所述构建是将每组所述输入端口、耦合区波导、幅度调制区波导、耦合区波导和输出端口依次通过过渡区波导进行串联,形成多输入多输出型的光子器件。
12.优选的,步骤s2中的输出信号,是通过光电探测器测试到功率为o
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的输出信号;所述的分光比列信号是通过对、、

、简化后得到的。
13.优选的,多输入多输出型的光子器件为多输入多输出型的分光器、光开关或波分复用器。
14.优选的,驱动控制信号为驱动电压或驱动电流。
15.优选的,过渡区波导为多模干涉型光波导或s型弯曲波导。
16.优选的,输入端口、和输出端口与幅度调制区波导的数量相同且不少于3个,耦合区波导数量是幅度调制区波导数量的2倍。
17.本发明有益效果:(1)传输矩阵动态可调:一种器件结构可实现任意传输矩阵,无须为每种需求单独设计和制备不同的器件,极大的避免了资源浪费;(2)快速自动逆向设计:在某一驱动信号下,实验中通过向输入端口施加已知功率
的输入光,毫秒时间内即可测试出输出功率,根据输入和输出端口的功率关系获得该驱动信号下对应的传输矩阵;无需人工设计,经寻优算法即可快速准确地求解出期望传输矩阵对应的驱动信号,器件自动调整至期望功能;此过程无须人工干预,均由系统自动测试和调整;(3)实验数据准确:传输矩阵直接通过实验直接测量,避免了传统方法造成的仿真误差和加工误差;该方法可用于可调、可编程的分光器、光开关、波分复用器等光子器件逆向设计中,具有高鲁棒性和自适应性,在外部环境和自身状态发生偏移时仍能按照期望响应快速准确地获得对应的器件参数。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的多输入多输出型光子器件结构图。
19.图2是本发明实施例提供的基于寻优算法的多输入多输出型光子器件自适应调制方案流程图。
20.图3是本发明实施例提供的基于神经网络的多输入多输出型光子器件自适应调制方案流程图。
21.附图标记:1、输入端口;2、过渡区波导;3、耦合区波导;4、幅度调制区波导;5、输出端口;6、光源;201、分光器主体;202、驱动信号;203、光电探测器;204、计算机;205、端口分光比;206、当前传输矩阵;207、期望传输矩阵;208、更新驱动控制参数。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
23.多输入多输出型光子器件的自适应调制方法,包括如下步骤:s1、构建多输入多输出型的光子器件;所述多输入多输出型的光子器件包括:多组输入端口、光子器件本体和多组输出端口;所述多输入多输出型的光子器件用于同时将同频率的非相干光信号按照可调节的功率分光比分配到各输出端口;s2、在某一驱动控制信号下,向所述多输入多输出型的光子器件的每一个输入端口依次施加已知功率为i的输入光,并在输出端口依次测量得到输出信号,得到分光比列信号(a
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,通过组合分光比列得到当前传输矩阵;
s3、对比期望传输矩阵与当前传输矩阵,构建损失函数或误差函数,用以表征两者之间的差异;s4、将误差函数作为反馈信号来修正驱动控制信号,利用寻优迭代算法缩小误差,最终实现期望传输矩阵,此时期望传输矩阵对应的驱动控制信号为期望的驱动控制信号;光子器件本体包括耦合区波导、幅度调制区波导;构建多输入多输出型的光子器件时,是将每组所述输入端口、耦合区波导、幅度调制区波导、耦合区波导和输出端口依次通过过渡区波导进行串联,形成完整的多输入多输出型的光子器件;步骤s2中的输出信号,是通过光电探测器测试到功率为o
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的输出信号;所述的分光比列信号是通过对、、

、简化后得到的;多输入多输出型的光子器件为多输入多输出型的分光器、光开关或波分复用器;驱动控制信号为驱动电压或驱动电流;过渡区波导为多模干涉(mmi)型光波导或s型弯曲波导;在具体的实施例中,输入端口、幅度调制区波导和输出端口的数量均为4个,耦合区波导数量是幅度调制区波导的2倍。
24.实施例1图1-2示出了一种多输入多输出型分光器的自适应调制方法,包括如下步骤:s1、构建多输入多输出型分光器,包括:四组输入端口1、幅度调制区波导4和输出端口5,八组耦合区波导3;构建时将每组输入端口1、耦合区波导3、幅度调制区波导4、耦合区波导3、输出端口5依次通过过渡区波导2串联,形成四路波导并排的排列;所述过渡区波导2为s型弯曲波导;s2、在驱动控制信号202(d1d2…ꢀdm
)下,向第一组输入端口1施加功率为i的光源6,在输出端口5通过光电探测器203测试到功率为o
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,通过分光比得到当前传输矩阵;
s3、将期望传输矩阵与当前传输矩阵的差异作为误差函数;s4、将误差函数作为反馈信号来修正驱动控制信号,利用寻优迭代算法更新驱动控制参数以缩小误差,最终实现期望传输矩阵,此时期望传输矩阵对应的驱动控制信号为期望的驱动控制信号;驱动控制信号202为驱动电压或驱动电流;步骤s4中包含反馈时的损失函数。
25.本发明的方法通过在耦合区加载电压或电流驱动控制信号,改变波导的折射率,从而控制光在波导中的传输路径;在幅度调制区施加驱动信号,调节光场幅度;通过在调制电极施加不同的驱动信号实现可调的传输矩阵。
26.实施例2图3示出了一种多输入多输出型分光器的自适应调制方法,包括如下步骤:s1、构建多输入多输出型分光器,包括:四组输入端口1、耦合区波导3、幅度调制区波导4和输出端口5;构建时将每组输入端口1、耦合区波导3、幅度调制区波导4、耦合区波导3、输出端口5依次通过过渡区波导2串联,所述过渡区波导2为s型弯曲波导;s2、在驱动控制信号202(d1d2…ꢀdm
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,通过分光比得到当前传输矩阵;s3、大量重复步骤s2的过程,每次加载不同的驱动控制信号,在输出端口5得到不同的传输矩阵;记录下每次的驱动控制信号和对应的传输矩阵,作为神经网络的训练集;s4、利用得到的训练集训练神经网络,包括正向神经网络和逆向神经网络,用于拟合驱动信号和对应传输矩阵的关系;经过训练的逆向神经网络可作为快速求解器,即只要输入期望传输矩阵,则在毫秒时间内就能够得到器件所需的驱动控制信号。
27.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
28.以上本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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