CN106094199A - 一种片上光功率分束器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种片上光功率分束器的设计方法，其包括以下步骤：确定器件的功能和器件的耦合区域；对耦合区域在X轴、Y轴的平面上进行网格划分成立方块，每个立方块有两种可能的状态：硅材料、空气；将所有的立方块都设定为硅材料，随机选择一个立方块，并转换该立方块的状态，计算出转换前后各输出端总能量以及不同输出端的分光比，如果转换后的输出端总能量提高且不同输出端的分光比更接近于目标分光比，那么保持这个立方块的状态；否则，这个立方块的状态翻转为原来的状态；随机选择下一个立方块，重复上述过程，直至得到满足确定的功能。本发明的方法可在任意半导体材料上实现任意分光比、多输出的自动化设计，方法简单，降低了设计周期。

Description

一种片上光功率分束器的设计方法

技术领域

本发明属于集成硅光子学技术领域，尤其涉及一种片上光功率分束器的设计方法。

背景技术

近年来，随着云存储，云计算，大数据等互联网业务爆炸式的发展，数据中心亟需大规模部署。在光互连逐步成为数据中心互连的主流技术的同时，集成光电子芯片作为光互连的核心正在引起越来越多的关注。集成光电子芯片的器件尺寸直接决定了面板的端口密度和功耗。此外，片上各器件的灵活性和重构性也至关重要。其中，光功率分束器是一种广泛应用于各种片上功能性单元的基本器件。多模干涉型光耦合器(MMI)因其对工艺容限度高，设计简单，工作带宽大而被广泛用于光功率分束。MMI器件的广泛意义在于对光路的控制和耦合，当输入波导仅有一条时，此时的MMI器件作用就是对于输入信号的分离，一般用作光功率分配的功能；而当输入波导有许多条时，MMI结构的应用又变为了对于光波的耦合功能。

近年来，很多的研究报道了通过各种方式实现MMI结构的低损耗设计，以及紧凑的结构设计和一些特殊功能的设计，但是以上功能对MMI的设计提出了更高的要求。使设计难度加大。普通1xN的MMI光功率分束器的分光比只能是1：N，N是输出端口数，其中每个输出端口的功率相等。要实现任意分光比的分束器，目前有报道一种特殊设计的MMI可实现任意分光比的单输入双输出的光栅耦合器，但是这个耦合器也只报道了单输入双输出，而不能实现更多输出的分光比。定向耦合器也能实现任意分光比，但是尺寸较大，工作带宽窄，工艺容限度差，多输出的分光需要通过级联来实现，增大了器件设计和制备的难度。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种片上光功率分束器的设计方法，可在任意半导体材料上实现自动化设计器件，并实现片上任意分光比、多输出，方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种片上光功率分束器的设计方法，其包括以下步骤：

步骤S1：确定器件的功能和器件的耦合区域，所述功能为输出端数量n、各输出端的目标分光比；其中，所述器件为待设计的片上光功率分束器；

步骤S2：其中，所述器件的载体的顶层硅厚度为a，对器件的耦合区域在X轴、Y轴的平面上进行网格划分，分成x*y个立方块，每个立方块的长和宽均为z，高度为a；其中，每个立方块有两种可选择的状态：一种是硅材料，一种是空气，也就是孔；其中，所述器件的载体为顶层为硅、硅下面为二氧化硅层的材料。

步骤S3：首先将所有的立方块都设定为硅材料，计算出此状态各输出端总能量以及不同输出端的分光比；然后随机选择一个立方块，并转换该立方块的状态，利用有限时域差分法计算出各输出端总能量以及不同输出端的分光比，当各输出端总能量大于转换前的各输出端总能量，并且与转换前的各输出端的分光比相比，各相应的输出端的分光比都更接近于相应输出端的目标分光比，则保持这个立方块的状态，否则这个立方块变为转换前的状态。

步骤S4：随机选择下一个立方块，对器件载体上的立方块的状态进行转换，按照步骤S3的方法计算转换后的各输出端总能量以及不同输出端的分光比，并与转换前的各输出端总能量以及不同输出端的分光比进行比较，并判断该立方块的状态；重复上述过程，直至得到满足步骤S1确定的功能。

作为本发明的进一步改进，步骤S3和S4中，按照式(1)的优质因子判断式进行判断，确定是否迭代：

$(\frac{{\&Sigma;}_i{E}_{i,j+1}}{{\&Sigma;}_i{E}_{i,j}}>1)\&cap;\&lsqb;{\left(\frac{E_{i,j+1}}{E_{i-1,j+1}}-\mathrm{\&alpha;}\right)}^2<{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}^2\&rsqb;---\left(1\right)$

其中，E_i,j代表了第j次迭代的第i个输出端的传输效率，其中，0<i≤n；α为第i个输出端与第i-1个输出端的目标分光比，ρ_j+1为收敛半径，收敛半径是控制分光比误差的参数，当每次迭代成功后收敛半径就会减小，直到趋近于0；

如果本次状态转换后，各输出端的优质因子判断式均满足，那么保持这个立方块的状态，否则，这个立方块变为转换前的状态。

作为本发明的进一步改进，所述器件的波导宽度为0.5微米，输出波导间距为1微米。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，所述随机选择采用加速的随机查找算法。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述立方块划分的x和y值的大小根据制备工艺条件而定。

作为本发明的进一步改进，所述耦合区域在X轴、Y轴的平面上的大小为2.7μm×2.7μm，所述立方块的长和宽均为90nm*90nm。

作为本发明的进一步改进，所述器件的顶层硅厚度为220nm，二氧化硅厚度为3um。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案，实现了一种计算机自动优化片上光功率分束器的设计，设计方式简单易懂；可在任意半导体材料上设计器件；可应用于片上多模干涉耦合器，片上片上光能量分束器，片上偏振分束器，片上多波长分束器等片上波导无源器件。

第二，本发明的技术方案，通过非对称随机结构实现任意分光比的设计，还可以实现更多输出端口的不同分光比的器件的设计。

第三，本发明的技术方案，实现不同波长的分束器的设计，还可以实现不同偏振的分束器的设计、不同模式的分束器的设计以及其他分束功能的分束器的设计，设计出的器件尺寸小，易集成。

附图说明

图1是本发明实施例的器件的结构示意图。

图2是本发明实施例设计的四个片上光功率分束器在不同波长的分光比；其中，图2(a)为分光比为1:1、1:1.5、1:3的单端输入双端输出的片上光功率分束器在不同波长的分光比图；图2(b)为单端输入三端输出分光比为1:2:1的片上光功率分束器在不同波长的分光比。图3是本发明实施例设计的四个片上光功率分束器分别在输入波导中传输TE模式的光的场图。其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)依次为单端输入双端输出分光比为1:1、1:1.5、1:3，以及单端输入三端输出分光比为1:2:1的片上光功率分束器的电场强度分布图。

图4是本发明实施例设计的四个片上光功率分束器的不同分光比的器件损耗与波长的关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

本发明基于电磁场的有限时域差分算法，利用随机机构在多模式耦合区域内形成无规则的散射点，光在这些散射点的作用下发生相位变化并互相干涉最终在输出波导中输出了所期望的分光比的片上光功率分束器。因此这种方法可以实现多输出任意分光比的片上光功率分束器的设计。

本实施例在顶层硅厚度a为220nm、二氧化硅厚度为3μm的绝缘体上进行一种片上光功率分束器的硅结构设计，其包括以下步骤：

步骤S1：确定器件的功能和器件的耦合区域，所述功能为输出端数量n、各输出端的目标分光比；器件的多模耦合区域2.7μm×2.7μm；所述器件的波导宽度为0.5微米，输出波导间距为1微米。

步骤S2：对器件的多模耦合区域在X轴、Y轴的平面上进行网格划分，分成x*y个立方块，每个立方块大小为90nm*90nm，即z为90nm，高度为220nm，x、y均为30；其中，每个立方块有两种可选择的状态：一种是硅材料，一种是空气，也就是孔；

步骤S3：首先将所有的立方块都设定为硅材料，计算出此状态各输出端总能量以及不同输出端的分光比；然后随机选择一个立方块，并转换该立方块的状态，利用有限时域差分法计算出各输出端总能量以及不同输出端的分光比，当各输出端总能量大于转换前的各输出端总能量，并且与转换前的各输出端的分光比相比，各相应的输出端的分光比都更接近于相应输出端的目标分光比，则保持这个立方块的状态。否则，则这个立方块变为转换前的状态；即为，如果各输出端总能量大于转换前的各输出端总能量，但是出现有一个输出端的分光比与转换前的相应输出端的分光比相比，更远离目标分光比，则这个立方块变为转换前的状态；或者，如果各输出端总能量小于转换前的各输出端总能量，则这个立方块变为转换前的状态。

上述过程可按照式(1)的优质因子判断式进行判断，确定是否迭代：

$(\frac{{\&Sigma;}_i{E}_{i,j+1}}{{\&Sigma;}_i{E}_{i,j}}>1)\&cap;\&lsqb;{\left(\frac{E_{i,j+1}}{E_{i-1,j+1}}-\mathrm{\&alpha;}\right)}^2<{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}^2\&rsqb;---\left(1\right)$

其中，E_i,j代表了第j次迭代的第i个输出端的传输效率，其中，i为自然数，且0<i≤n；α为第i个输出端与第i-1个输出端的目标分光比；ρ_j+1为收敛半径，收敛半径是控制分光比误差的参数，当每次迭代成功后收敛半径就会减小，直到趋近于0。

如果本次状态转换后，各输出端的优质因子判断式均满足，那么保持这个立方块的状态，否则，这个立方块变为转换前的状态。

以单端输入三端输出的1:2:1的片上光功率分束器为例，输出端数量n＝3，输出端的目标分光比分别为：1:2:1。转换该立方块的状态后，如果3个输出端的输出总能量大于转换前的输出端总能量，且第2个输出端与第1个输出端的能量比与转换前的相比，更接近于2：1，而且第3个输出端与第2个输出端的能量比与转换前的相比，更接近于1：2，那么保持这个立方块的状态，如转换前为硅材料，那么转换后为空气。

否则，如果3个输出端的输出总能量小于转换前的输出端总能量，则这个立方块变为转换前的状态。或者，如果第2个输出端与第1个输出端的能量比与转换前的相比，更远离2：1，比如转换前为2.5：1，转换后为1：1或3：1，则这个立方块变为转换前的状态。或者，第3个输出端与第2个输出端的能量比与转换前的相比，更远离于1：2，则这个立方块变为转换前的状态。

步骤S4：随机选择下一个立方块，对器件载体上的立方块的状态进行转换，按照步骤S3的方法计算转换后的各输出端总能量以及不同输出端的分光比，并与转换前的各输出端总能量以及不同输出端的分光比进行比较，并判断该立方块的状态；重复上述过程，直至得到满足步骤S1确定的功能。

上述步骤中，所述随机选择采用加速的随机查找算法。

采用上述方法得到的器件结构示意图如图1所示，可见，有些立方块为硅材料1，有些立方块为空气，也就是孔2。

利用上述的方法，我们在同样的器件载体材料上设计了四个器件，分别为单端输入双端输出分光比为1:1、1:1.5、1:3的片上光功率分束器，以及单端输入三端输出的分光比为1:2:1的片上光功率分束器，即4个器件的输出端数量n分别为2、2、2、3；4个器件的输出端的目标分光比分别为：1:1、1:1.5、1:3、1:2:1，即前面三个器件α为分别为1，1.5，3。

利用本方法设计的分光比为1:1、1:1.5、1:3的片上光功率分束器在不同波长的分光比图如图2(a)所示，由图2(a)可见，这些片上光功率分束器在输入波导中传输TE模式中心波长1550nm时得到的双端口的分光比分别为1:1，1:1.5，1:3，满足设计要求。单端输入三端输出片上光功率分束器不同端口的在不同波长的分光比图如图2(b)所示。由图2(b)可见，输入TE模式中心波长1550nm的光时三输出端口1:2:1的分光比在图中也得以体现，端口2比端口1、端口2比端口3的分光比基本在2附近，双端口器件的分光比在1.54-1.57μm范围内的分光比非常平稳，对于1×2的片上光功率分束器而言分光比误差为±0.2，基本覆盖整个c波段，即1.53μm-1.65μm。

针对上述的四个片上光功率分束器，我们在输入波导中传输TE模式的光最终得到场图如图3所示，如图3(a)-图3(d)分别为分光比为1:1、1:1.5、1:3、1:2:1的片上光功率分束器的光能量分布图，由图3(a)-图3(d)可见，能量分布与分光比所示相匹配；高能量输出端口能量较强，低能量输出端口能量较弱。

上述四个片上光功率分束器在不同分光比的器件损耗与波长的关系图如图4所示，可见，所有器件的传输损耗在1540nm-1570nm范围内基本控制在-1dB以内，最大不超过1.5dB，性能稳定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤S1：确定器件的功能和器件的耦合区域，所述功能为输出端数量n、各输出端的目标分光比；其中，所述器件为待设计的片上光功率分束器；

步骤S2：其中，所述器件的载体的顶层硅厚度为a，对器件的耦合区域在X轴、Y轴的平面上进行网格划分，分成x*y个立方块，每个立方块的长和宽均为z，高度为a；其中，每个立方块有两种可选择的状态：一种是硅材料，一种是空气；

步骤S3：首先将所有的立方块都设定为硅材料，计算出此状态各输出端总能量以及不同输出端的分光比；然后随机选择一个立方块，并转换该立方块的状态，利用有限时域差分法计算出各输出端总能量以及不同输出端的分光比，当各输出端总能量大于转换前的各输出端总能量，并且与转换前的各输出端的分光比相比，各相应的输出端的分光比都更接近于相应输出端的目标分光比，则保持这个立方块的状态，否则这个立方块变为转换前的状态；

步骤S4：随机选择下一个立方块，对器件载体上的立方块的状态进行转换，按照步骤S3的方法计算转换后的各输出端总能量以及不同输出端的分光比，并与转换前的各输出端总能量以及不同输出端的分光比进行比较，并判断该立方块的状态；重复上述过程，直至得到满足步骤S1确定的功能。

2.根据权利要求1所述的一种片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：步骤S3和S4中，按照式(1)的优质因子判断式进行判断，确定是否迭代：

$(\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_i{E}_{i,j+1}}{{\mathrm{\&Sigma;}}_i{E}_{i,j}}>1)\&cap;\&lsqb;{(\frac{E_{i,j+1}}{E_{i-1,j+1}}-\mathrm{\&alpha;})}^2<{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}^2\&rsqb;---\left(1\right)$

其中，E_i，j代表了第j次迭代的第i个输出端的传输效率，其中，0<i≤n；α为第i个输出端与第i-1个输出端的目标分光比，ρ_j+1为收敛半径；

如果本次状态转换后，各输出端的优质因子判断式均满足，那么保持这个立方块的状态，否则，这个立方块变为转换前的状态。

3.根据权利要求1所述的一种片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：所述器件的波导宽度为0.5微米，输出波导间距为1微米。

4.根据权利要求1所述的一种片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：步骤S4中，所述随机选择采用加速的随机查找算法。

5.根据权利要求1所述的片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：步骤S2中，所述立方块划分的x和y值的大小根据制备工艺条件而定。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：所述耦合区域在X轴、Y轴的平面上的大小为2.7μm×2.7μm，所述立方块的长和宽均为90nm*90nm。

7.根据权利要求6所述的片上光功率分束器的设计方法，其特征在于：所述器件的顶层硅厚度为220nm，二氧化硅厚度为3um。