产学创新成果分享 | 动态更新率策略提升光模转换器设计效率

逍遥设计自动化

引言
* ~7 @1 x; ^$ C+ |( U在光通信领域，模式分集复用技术是扩展信道容量的关键技术。随着数据传输需求不断增长，开发高效、小型化的模式转换器变得格外重要。本文介绍创新的模式转换器设计方法，采用动态更新率调整(DAUR)策略，显着降低计算开销同时保持高性能。引用论文来自兰州大学曹鹏飞老师、程琳老师、袁明瑞老师…等学者和逍遥科技赵智凯的工作，展现了产学研合作在推动光通信技术进步方面的重要价值[1]。

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拓扑优化框架
2 Y2 \% |8 p& p# }) s5 a1 O传统的模式转换器反向设计过程面临巨大的计算挑战，通常需要数千次电磁场仿真。DAUR方法借鉴机器学习原理中的动态学习率方法解决这一问题。优化框架以n通道模式转换器为分析原型，采用正向场仿真和伴随场仿真两个主要过程。
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1 N9 M; U3 X* Z* P; v; j7 B图1：双通道模式转换器优化流程图，展示了初始化、仿真参数设置和迭代优化等关键步骤。
* q/ h, S5 {: J' ]$ D" j
* X0 n5 u/ t8 `: Q3 N该数学模型通过可调节的线性权重因子将多目标问题转化为单目标优化问题。对于双模转换器，设计目标分解为两个主要函数，考虑传输效率和通道间串扰。

" `$ s. S, X3 g  A动态更新率策略
DAUR方法采用自然指数衰减策略调整更新率，在优化过程中平衡探索和利用。更新率α由以下公式控制：

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% s& K- a( n3 A( [0 ~, `
: I/ e8 y: l( d( u2 Q) n3 i9 e9 }' a: ~其中αinit表示初始值，γ是0到1之间的数，iter表示迭代次数。
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6 ^: v0 y  F$ Q: E6 n, ^. w图2：动态调整曲线显示不同γ值如何影响迭代过程中的更新率，展示了收敛速度和优化精度之间的权衡。
" @9 k% A* j  P7 X0 K. j6 N. K
9 E7 f* k1 O+ `0 @- r该策略以较大的更新率开始以广泛探索参数空间，然后逐渐降低以微调设计参数。这种方法既防止过早收敛到局部最优，又避免在最优解附近过度振荡。

& f4 \6 K% T# N4 x- C器件设计实现
实际实现聚焦于具有特定设计要求的双通道模式转换器。器件由一个接受TE0和TE1模式的输入波导，以及设计用于有效分离这些模式的两个输出通道组成。

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5 d! C/ E) P$ l/ M& H" U图3：模式转换器模型示意图，显示了仿真布局，包括PML边界、光源位置和监测位置。
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+ J! ]; H+ {% E0 J0 l8 i" m$ D9 K2 H图4：双通道模式转换器设计目标的概念图，显示(a) TE0模式路由和(b) TE1模式路由。
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优化过程既考虑电磁响应又考虑制造约束。经过146次迭代的最终器件设计在仿真和实际实现中都表现出卓越的效率。
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性能分析
优化后的器件在宽波长范围内显示出优异的性能特征。仿真结果表明在1525-1575 nm波长范围内，插入损耗低于0.68 dB，串扰低于-24 dB。
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图5：仿真电场分布(Ez)，显示(a) TE0-通道1和(b) TE1-通道2配置下的模式传播。
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( v; Q* c  W/ i; a* x$ f6 a. B图6：仿真光谱响应，显示工作波长范围内的插入损耗和串扰性能。
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使用标准制造工艺对设计进行了实验验证。采用可调谐激光器、偏振控制器和光谱分析仪对制造的器件进行表征。
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图7：双模转换器的电子显微镜图像和扫描电镜图像，显示实际器件结构。
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结论
2 o8 @( Z4 x8 E) k# \8 H, D2 KDAUR方法在光子模式转换器设计领域取得显着进展。通过实施动态更新率策略，该方法在保持优异器件性能的同时实现计算效率的显着提升。主要成果包括：
* p- o% b: ~. n. R3 }7 U. f& Q: W
6 {9 U1 a9 @5 f  ~  }研制成功的小型双模转换器（1.4 μm × 1.4 μm）在1525-1575 nm波长范围内插入损耗低于0.68 dB，串扰低于-24 dB。这一性能与使用更多计算资源的方法设计的器件相当或更优。

DAUR方法将所需仿真次数减少到584次，与传统方法通常需要的3000-4000次相比减少了80%。这种计算效率的显着提升使设计周期从典型的20-44小时缩短到约3.6小时。

制造的器件实验验证表明DAUR设计的组件具有实用性，尽管由于制造公差会产生一些性能变化。这些结果突出显示了该方法的有效性，以及在设计过程中考虑制造约束的重要性。

参考文献
[1] P. Cao et al., "Enhancing computational efficiency in topology-optimized mode converters via dynamic update rate strategies," Scientific Reports, vol. 14, no. 27052, pp. 1-14, 2024, doi: 10.1038/s41598-024-76691-5

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