CN110320663A - 基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器 - Google Patents

基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，包括输入波导、输入锥形结构、优化波导区域、输出锥形结构和输出波导。所述优化波导区域被划分成若干个正方形单元格，每一个单元格有两种状态：不打孔和正中心圆孔。根据直接二元搜索算法以及目标函数，计算每一个单元格的状态，最后使优化波导区域内分布若干个圆孔，以使目标函数达到最大值。该器件用于实现模式滤波的功能，使输入波导入射的TE1模式保持很高的透过率被输出波导接收；输入波导入射的TE0模式的能量从波导侧面发散出去，无法被输出波导接收。本发明损耗低，带宽大，器件尺寸小，制作简单，易于实现。

Description

基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器
技术领域
本发明属于平面光波导集成器件，具体涉及一种基于直接二元搜索算法(简称DBS算法)设计的模式滤波器。
背景技术
21世纪处于信息爆炸的时期，人们对于信息的需求量高速增长，对通信网络的带宽和容量也提出了更高的要求。为增大光通信系统的通信容量，多种复用技术应运而生。光纤中的空分复用(SDM)技术一直在迅速发展，以支持光传输容量的指数增长。作为该技术的片上集成，硅基集成的模分复用系统(MDM)由于其小尺寸、与CMOS制造工艺兼容、以及与目前已成熟的波分复用系统(WDM)的扩展性而引起了广泛关注。
模分复用系统中，模式滤波器是一个必不可少的器件，用于滤除不需要的模式，只允许设计所需求的模式通过，类似波分复用系统中的波长滤波器的功能。在多模波导中，由于其对高阶模限制较弱，因此滤除其中的高阶模而只保留低阶模有很多简单的解决方案，例如，将波导逐渐变细到高阶模式的截止宽度，或者在适当设计的波导弯曲中滤除高阶模式。然而，在多模波导中只滤除低阶模式而让高阶模式通过的滤波器是比较难以实现的。
目前针对高阶模式滤波器，已有多种方案被提出。2015年，XIAOWEI GUAN等人利用一维光子晶体实现了高阶模滤波器；2016年，Y.TANG等人利用双曲线超材料作为波导包层，使波导只支持高阶TM模式；2017年，ZESHAN CHANG等人在波导中埋入单层石墨烯，使高阶模传输时损耗较低，而低阶模传输有很大的损耗；2017年，KAZI TANVIR AHMMED等人利用MZI实现模式转换，先将TE0和TE1相互转换，滤波之后，再将模式转换成初始状态，2018年，CHUNLEI SUN等人在此基础上给MZI臂上加上热电极，实现可调控的模式滤波功能。此外，模式解复用器也可以被看成是模式滤波器，但是它们一般都存在尺寸过大的弊端。
因此，目前的模式滤波器都有着工艺复杂、尺寸较大、工作带宽窄等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有模式滤波器工艺复杂、器件尺寸大、带宽窄等技术不足，提供一种新的基于DBS算法设计的模式滤波器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于DBS算法设计的模式滤波器，包括输入波导(1)、输入锥形结构(2)、优化波导区域(3)、输出锥形结构(4)、输出波导(5)；
优化波导区域被划分成若干个正方形单元格，每一个单元格的状态为不打孔或正中心圆孔；每一个单元格的状态的确定方式是：根据DBS算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值。
所述优化波导区域的尺寸为所划分正方形单元格边长的整数倍。
优选的，所划分的正方形单元格边长a满足
式中，λ为优化中心波长，neff为波导有效折射率；
正中心圆孔的直径d满足80nm≤d≤(a-30nm)。
进一步的，所述输入锥形结构的宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输入波导相连；所述输出锥形结构波导宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输出波导相连。该锥形结构可以增加器件制作的工艺容差性，并滤除可能产生的高阶模式。
所述根据DBS算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值的步骤包括：依次扫描优化波导区域每一个单元格，改变扫描单元格的状态，计算当前目标函数，将当前目标函数与未改变该单元格状态时的目标函数值相比较，若当前目标函数值得到改善，则保留该扫描单元格的新状态，否则，将该单元格恢复原状态。
优选的，在使用DBS算法计算优化波导区域每一个单元格状态时，交替使用按行扫描和按列扫描的方式；按行扫描时在水平方向上从左往右，垂直方向上从下往上；按列扫描时在垂直方向上从下往上，水平方向上从左往右。
进一步包括：首先，设置目标函数中目标透过率与串扰占据相同比重，交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛；然后，将目标函数中目标透过率与串扰的比重设置为1:10，在已有的最优解的基础上继续交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛。
目标函数收敛的判断依据为扫描完一轮优化波导区域所有单元格后，目标函数的改变值低于0.1％。
本发明的基于DBS算法设计的模式滤波器，用于实现模式滤波的功能，当输入波导入射的TE1模式经过优化波导区域，能保持很高的透过率被输出波导接收；而输入波导入射的TE0模式经过优化波导区域中多个小孔的衍射，能量从波导侧面发散出去，无法被输出波导接收。
本发明的基于DBS算法设计的模式滤波器，解决了制作工艺步骤复杂以及器件尺寸过大的问题，实现了损耗低、带宽大、尺寸超小、一步刻蚀的模式滤波器。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1是本发明器件的三维结构示意图。
图2是本发明器件的二维平面结构示意图。
图3是本发明器件的未优化时的初始结构示意图。
图4是本发明器件的优化波导区域单元格划分示意图。
图5是本发明器件中单元格的两种状态，(a)为不打孔，(b)为正中心打圆孔。
图6是本发明器件实例中TE1模式的透射谱。
图7是本发明器件实例中T00、T01、T10三个串扰图。
图中：1、输入波导，2、输入锥形结构，3、优化波导区域，4、输出锥形结构，5、输出波导。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施进一步说明。
本发明提出的是一种基于DBS算法设计模式滤波器，其三维结构示意图如图1所示，二维平面结构示意图如图2所示，包括输入波导1、输入锥形结构2、优化波导区域3、输出锥形结构4、输出波导5。
优化波导区域被划分成若干个正方形单元格，每一个单元格的状态为不打孔或正中心圆孔；每一个单元格的状态的确定方式是：根据DBS算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值。
优化波导区域的尺寸为所划分正方形单元格边长的整数倍。
优选的，所划分的正方形单元格边长a满足
式中，λ为优化中心波长，neff为波导有效折射率；
正中心圆孔的直径d满足80nm≤d≤(a-30nm)，以保证工艺上可以实现。
输入锥形结构的宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输入波导相连；所述输出锥形结构波导宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输出波导相连。该锥形结构可以增加器件制作的工艺容差性，并滤除可能产生的高阶模式。
未使用DBS算法优化前，其结构示意图如图3所示，优化区域是一段略宽于输入、输出波导的直波导。将优化波导区域划分成若干个正方形单元格，划分示意图如图4所示，以便于DBS算法依次扫描。每一个单元格有两种状态：不打孔和正中心圆孔，示意图如图5(a)和(b)所示。
在使用DBS算法计算优化波导区域每一个单元格状态时，交替使用按行扫描和按列扫描的方式。按行扫描时在水平方向上从左往右，垂直方向上从下往上；按列扫描时在垂直方向上从下往上，水平方向上从左往右。依次扫描优化波导区域每一个单元格，改变扫描单元格的状态，计算目标函数，与未改变该单元格状态时的目标函数值相比较，若目标函数值得到改善，则保留该扫描单元格的新状态，否则，将该单元格恢复原状态。
在扫描过程中，共使用了两个目标函数。第一个目标函数为：
FOM1＝T11-(T00+T01+T10)
其中，Tmn代表入射为TEm出射为TEn的透过率，即T11为目标透过率，T00、T01、T10均为串扰。该目标函数中，目标透过率与串扰占相同的比重，交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛，随后使用第二个目标函数：
FOM2＝T11-10×(T00+T01+T10)
第二个目标函数中的目标透过率与串扰的比重变为了1:10，增加了串扰权重，以改善器件最终的串扰性能。在已有的最优解上继续交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛。
经过若干轮扫描后，优化波导区域分布着若干个圆孔，输入波导入射的TE1模式经过优化波导区域，能保持很高的透过率被输出波导接收；而输入波导入射的TE0模式经过优化波导区域中多个小孔的衍射，能量从波导侧面发散出去，无法被输出波导接收。
下面通过一个具体实施例来对本发明作进一步说明：
选用基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线，顶层硅厚度为220nm，材料折射率为3.476，衬底为3μm厚的二氧化硅，折射率为1.444，上包层为PECVD工艺生长的二氧化硅，折射率为1.4575。
设计一个基于DBS算法的模式滤波器，中心波长为1550nm，优化波长区间为100nm，工作模式为TE1和TE0模式。
在具体实施案例中，采用以下的方法：
1.设置输入波导和输出波导的宽度均为0.6μm，确保其可以无损耗的支持TE0模式、TE1模式，同时更高阶模式如TE2均截止。输入、输出锥形结构的宽度则是从0.6μm过渡到0.9μm，长度为20μm，以保证TE0和TE1模式均绝热演化。优化波导区域尺寸为1.56μm×2.4μm。
2.将优化区域化分成120nm×120nm的正方形单元格，每个单元格有两个状态：不打孔和中间打直径90nm圆孔。依次扫描，改变每一个单元格的状态，若目标函数改善，则保留新的单元格状态；若目标函数未改善，则恢复原来的状态。
3.为了进一步压低串扰，共使用了两个目标函数，第一个透过率和串扰比重相同，第二个在原基础上将串扰的比重增加到10。
图6为该实例的TE1模式透过率图，图7为该实例的三个串扰图。由图可以看出，该实例设计的模式滤波器面积仅为1.56μm×2.4μm，TE1模式的透过率在1500-1600nm范围内均高于92.4％，T00、T01、T10三个串扰在1500-1600nm的带宽范围内均低于-25dB，相较于其它方法设计的模式滤波器，具有损耗低、面积超小、带宽超大等优点。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，包括输入波导、输入锥形结构、优化波导区域、输出锥形结构、输出波导；其特征在于：
优化波导区域被划分成若干个正方形单元格，每一个单元格的状态为不打孔或正中心圆孔；每一个单元格的状态的确定方式是：根据DBS算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值。
2.根据权利要求1所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，所述优化波导区域的尺寸为所划分正方形单元格边长的整数倍。
3.根据权利要求1所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，所划分的正方形单元格边长a满足
式中，λ为优化中心波长，neff为波导有效折射率；
正中心圆孔的直径d满足80nm≤d≤(a-30nm)。
4.根据权利要求1所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，所述输入锥形结构的宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输入波导相连；所述输出锥形结构波导宽度大的一端与优化波导区域相连，宽度小的一端与输出波导相连。
5.根据权利要求1所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，所述根据DBS算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值的步骤包括：依次扫描优化波导区域每一个单元格，改变扫描单元格的状态，计算当前目标函数，将当前目标函数与未改变该单元格状态时的目标函数值相比较，若当前目标函数值得到改善，则保留该扫描单元格的新状态，否则，将该单元格恢复原状态。
6.根据权利要求5所述的基于DBS算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，在使用DBS算法计算优化波导区域每一个单元格状态时，交替使用按行扫描和按列扫描的方式；按行扫描时在水平方向上从左往右，垂直方向上从下往上；按列扫描时在垂直方向上从下往上，水平方向上从左往右。
7.根据权利要求5所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，进一步包括：首先，设置目标函数中目标透过率与串扰占据相同比重，交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛；然后，将目标函数中目标透过率与串扰的比重设置为1:10，在已有的最优解的基础上继续交替使用按行和按列扫描，直至目标函数收敛。
8.根据权利要求7所述的基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器，其特征在于，目标函数收敛的判断依据为扫描完一轮优化波导区域所有单元格后，目标函数的改变值低于0.1％。
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