CN110531462B - 一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统 - Google Patents

一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统，该方法包括：根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，波导初始参数包括初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；基于初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。本发明实施例使得光模分复用器的工艺容差特性得到提高。

Description

一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统
技术领域
本发明涉及光电子集成技术领域，尤其涉及一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统。
背景技术
光模分复用器是集成光互连系统中的重要元件之一，为提升单链路容量提供了新的维度。目前片上系统的光模分复用器主要使用多模干涉结构、Y分支结构、非对称定向耦合器结构或微环结构等实现，其中，基于非对称定向耦合器的模分复用器具有结构简单和设计方便等特点。
然而，现有基于非对称定向耦合器(Asymmetric Directional Coupler)的模分复用器，对于波导宽度非常敏感，其制造精度要求较高，由于工艺制造与设计尺寸之间存在偏差，可通过引入锥形结构来改善这种器件的工艺容差特性，使得锥形结构中相位失配较小的部分实现较高效率的耦合，而在其他相位失配较大的区域耦合效率较低，从而保证器件工作性能优越。
目前针对锥形结构的设计参数选取往往停留在经验层面，还没有一种较好的锥形结构参数优化方法。因此，现在亟需一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，包括：
根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；
基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；
根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
进一步地，所述最优耦合性能参数包括锥形非对称定向耦合器的渐变波导始端最佳宽度、渐变波导末端最佳宽度和最佳耦合长度；
进一步地，在所述根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数之后，所述方法还包括：
根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
进一步地，所述锥形结构耦合模公式为：
Figure BDA0002193813060000021
其中，A表示上侧波导的振幅常数，κ表示耦合系数，B表示下侧波导的振幅常数，β1表示上侧波导模场的传播常数，β2表示下侧波导模场的传播常数。
进一步地，所述基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本，包括：
基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，通过二维结构仿真，对所述待优化光模分复用器进行仿真，得到二维结构仿真结果，所述二维结构仿真结果包括多个上侧波导宽度和下侧波导宽度，以用于组合得到多组波导宽度组合；
根据所述二维结构仿真结果，获取每组波导宽度组合对应的耦合系数和下侧波导传播常数。
进一步地，所述初始上侧波导宽度的基模和所述初始下侧波导宽度的高阶模式的有效折射率相等。
进一步地，所述根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器，包括：
根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，并通过三维结构仿真，对优化后的光模分复用器的参数进行调整，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统，包括：
波导初始参数获取模块，用于根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；
插值样本获取模块，用于基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；
处理模块，用于根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法及系统，通过使用插值方法和遗传算法，对光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的参数进行优化，使得优化后的光模分复用器的工艺容差特性得到较大提高，同时降低了器件结构参数设计的时间成本，从而更加快速的对光模分复用器进行设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的无渐变非对称定向耦合器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器的俯视示意图；
图4为本发明实施例提供非对称定向耦合器的横截面示意图；
图5为本发明实施例提供的锥形非对称定向耦合器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的仿真结果示意图；
图7为本发明实施例提供的用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光模分复用器是片上光互连系统中的重要元件之一，在光模分复用器中，经光调制模块调制的多束信号光，在经过模式转换与模式复用之后，将以不同模式汇聚到一个公共波导中，从而提升单条链路容量。其中，解复用可看作复用过程的逆过程，在解复用过程中，公共波导中不同模式的信号光将被分离，并转换为基模光束，通过接收端光电探测器完成光电转换，将携带信息的光波转换成电信号，电信号经采样量化后由多输入输出的信号处理模块处理，最终由电接收机接收，完成模分复用整个过程。
在光模分复用器的制作过程中，制作工艺容差是指器件对工艺误差的容忍度，受限于工艺精度条件，往往在耦合器的制作过程中，会出现器件的实际参数与理论参数存在误差，一个器件的工艺容差越高，那么这种误差对它的性能影响就越小，因而器件的制作就更容易成功。
由于非对称定向耦合器结构对于上侧波导的工艺容忍性更差，因此，本发明实施例仅在下侧波导中引入锥形结构来实现器件工艺容差特性的提升。本发明实施例采用的是硅基锥形非对称定向耦合器，通过在光模分复用器的总线波导部分引入锥形结构，可实现对波导宽度工艺容差的提升。其结构包括两个单模输入波导、一个弯曲波导、一个锥形器与一个锥形非对称定向耦合器。当光源从输入端以基模形式输入上侧波导之后，经过定向耦合器部分，将大部分的光以高阶模形式耦合进入下侧波导；而由下侧波导输入的基模光场将以基模形式约束在下侧波导中传播，从而实现光模分复用功能。
图1为本发明实施例提供的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，包括：
步骤101，根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；
在本发明实施例中，将基于无渐变非对称定向耦合器的光模分复用器作为待优化光模分复用器进行说明，通过将该光模分复用器的无渐变非对称定向耦合器优化为锥形非对称定向耦合器，从而得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器，图2为本发明实施例提供的无渐变非对称定向耦合器的结构示意图，可参考图2所示，该定向耦合器两个波导的波导宽度不同，当两波导结构满足预设条件时，波导宽度较窄的波导(即本发明实施例的上侧波导)中的单模光耦合到波导宽度较宽的波导中(即本发明实施例的下侧波导)，从而通过高阶模式进行传播。图3为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器的俯视示意图，可参考图3所示，整体器件是由两个单模输入波导、一个弯曲波导、一个锥形器与一个锥形非对称定向耦合器组成，其中，上侧输入波导与弯曲波导相连，从而与下侧波导逐渐靠近；下侧波导与锥形器相连，从而与锥形非对称定向耦合器衔接。锥形非对称定向耦合器是由两根高度相同的矩形波导组成，在锥形非对称定向耦合器中，下侧波导的宽度为渐变型，根据光的传播方向，宽度逐渐增加。需要说明的是，在本发明实施例中，通过仿真软件对待优化光模分复用器进行建模，并根据优化参数对该光模分复用器进行优化，使得仿真软件中的待优化光模分复用器的无渐变非对称定向耦合器，优化为锥形非对称定向耦合器，从而得到优化后的光模分复用器。
步骤102，基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本。
在本发明实施例中，通过二维结构仿真，在预设范围内，基于初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度，对无渐变非对称定向耦合器的上侧波导宽度和下侧波导宽度的进行取值，从而针对不同的波导宽度取值进行组合，得到多种波导宽度组合，并根据波导宽度组合对应的模场分布函数，获取每组波导宽度组合对应的耦合系数，其中，下侧波导模场的传播常数可直接通过二维结构仿真得到。
具体地，可参考图2所示，当波导1(上侧波导)与波导2(下侧波导)距离较远时，根据耦合模理论可知，光在两波导中的传输是互不影响的，其模场分布表示为：
Figure BDA0002193813060000071
其中，ψ1表示波导1的光模场分布，ψ2表示波导2的光模场分布，A表示波导1的振幅常数，B表示波导2的振幅常数，β1表示波导1中模场的传播常数，β2表示波导2中模场的传播常数，f1表示波导1截面内归一化分布函数，f2表示波导2截面内归一化分布函数。
当波导1和波导2之间的波导距离较小时，波导的传输模式将会发生微扰，根据微扰理论，耦合系统中的场分布可通过两分立波导的特征模式表示，公式为：
Figure BDA0002193813060000072
其中，
Figure BDA0002193813060000073
表示整个耦合系统的电场强度，表示
Figure BDA0002193813060000074
整个耦合系统的磁场强度，
Figure BDA0002193813060000075
p＝1，2，表示无扰动时各个分立波导的模场分布。
将两分立波导的特征模式公式与麦克斯韦方程联立，得到联立麦克斯韦方程组：
Figure BDA0002193813060000076
在联立麦克斯韦方程组中的三个参数κ、c和χ，可通过分立波导的本征模式场量进行表示，分别为：
Figure BDA0002193813060000077
Figure BDA0002193813060000078
Figure BDA0002193813060000079
其中，(p，q)＝(1，2)或(2，1)，N(x，y)表示整个耦合系统的折射率分布，Np(x，y)表示波导p的折射率分布，
Figure BDA0002193813060000081
表示波导p中本征模场的电场强度共轭值，
Figure BDA0002193813060000082
表示波导p中本征模场的磁场强度共轭值。
根据弱耦合条件，两个波导之间的差异性越小，即两个波导对应的传播常数越接近，耦合效果越好，尤其是在两波导的传播常数完全相等时，因此，当χp＝cpq＝0，且κ12＝κ21＝κ时，联立麦克斯韦方程组可简化为：
Figure BDA0002193813060000083
由于定向耦合器的耦合为同向耦合，即β1和β2均为正值，当仅激励波导1时，设A(0)＝A0，B(0)＝0，得到沿z方向传播过程中，两波导的归一化光功率，公式为：
Figure BDA0002193813060000084
其中，F＝1/[1+(δ/κ)2]，δ＝(β2-β1)/2，
Figure BDA0002193813060000085
由归一化光功率公式可知，在z＝(2m+1)π/2q(m＝0，1，2，...)时，光在波导之间的耦合功率最大，其中，Lc＝π/2q，为耦合长度。此外，当δ越小，可实现的耦合效率越高，在δ＝0时，可实现完全功率耦合，δ＝(β2-β1)/2＝0，即两波导中模式有效折射率neff1＝neff2，该条件也被称为相位匹配条件。
步骤103，根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
具体地，所述最优耦合性能参数包括锥形非对称定向耦合器的渐变波导始端最佳宽度、渐变波导末端最佳宽度和最佳耦合长度。
在本发明实施例中，以锥形非对称定向耦合器参数的渐变波导始端宽度、渐变波导最佳宽度和耦合长度为优化变量，以存在工艺误差情况下的耦合效率为优化目标，对遗传算法生成的种群进行交叉、变异和选择等处理，从而形成新的种群，在预设的耦合长度约束条件下，将个体目标适应度最大值对应的锥形非对称定向耦合器参数作为最优耦合性能参数，以用于对待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
本发明实施例提供的一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，通过使用插值方法和遗传算法，对光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的参数进行优化，使得优化后的光模分复用器的工艺容差特性得到较大提高，同时降低了器件结构参数设计的时间成本，从而更加快速的对光模分复用器进行设计。
在上述实施例的基础上，在所述根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数之后，所述方法还包括：根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
在上述实施例的基础上，所述锥形结构耦合模公式为：
Figure BDA0002193813060000091
其中，A表示上侧波导的振幅常数，κ表示耦合系数，B表示下侧波导的振幅常数，β1表示上侧波导模场的传播常数，β2表示下侧波导模场的传播常数。
在本发明实施例中，首先对待优化光模分复用器的耦合模式和结构特征进行预设，并根据相位匹配条件确定待优化光模分复用器中无渐变非对称定向耦合器的波导初始参数；然后根据这些波导初始参数生成相应的波导宽度组合，以得到插值样本。
进一步地，由于在待优化光模分复用器中引入渐变结构后，在光传输方向上，波导中本征模场分布以及有效折射率等不再固定，因此，传统的耦合模理论无法计算这种情况下的耦合结果。本发明实施例通过在预设工艺制作条件下，基于遗传算法，根据锥形结构耦合模方程和插值样本，获取非对称定向耦合器的渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度与耦合长度，从而根据这些设计参数对光模分复用器进行优化，并通过这些设计参数进行制造，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。另外，在本发明实施例中，还可以将非对称定向耦合器的渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度与耦合长度输入到仿真软件中，对各项参数进行微调，从而进一步提升器件的工艺容差特征。
本发明实施例通过遗传算法优化设计结构参数，由于耦合系数与传播常数随波导宽度的变化连续且平缓，将数组不同条件下的波导宽度组合参数值作为插值样本，将锥形耦合模公式与插值方法的结合，不仅规避了三维结构仿真，且实际所需的二维结构仿真次数也大大减少，从而提高了优化效率。
在上述实施例的基础上，所述基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本，包括：
基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，通过二维结构仿真，对所述待优化光模分复用器进行仿真，得到二维结构仿真结果，所述二维结构仿真结果包括多个上侧波导宽度和下侧波导宽度，以用于组合得到多组波导宽度组合；
根据所述二维结构仿真结果，获取每组波导宽度组合对应的耦合系数和下侧波导传播常数。
在上述实施例的基础上，所述初始上侧波导宽度的基模和所述初始下侧波导宽度的高阶模式的有效折射率相等。
在上述实施例的基础上，所述根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器，包括：
根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，并通过三维结构仿真，对优化后的光模分复用器的参数进行调整，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
在本发明一实施例中，以构建预设工艺容差为20nm的TE0&TE1光模分复用器进行说明。首先，设置该光模分复用器优化前的无渐变非对称定向耦合器参数，其中，波导宽度H为220nm，波导间距g为200nm，上侧波导宽度Wa为400nm，当工作波长为1550nm时，根据相位匹配条件，获取该无渐变非对称定向耦合器的下侧波导宽度Wb为836nm，耦合长度为20μm。
进一步地，通过二维结构仿真，在预设范围内，基于初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度，对无渐变非对称定向耦合器的上侧波导宽度和下侧波导宽度的进行取值，从而针对不同的波导宽度取值进行组合，得到多种波导宽度组合。图4为本发明实施例提供非对称定向耦合器的横截面示意图，可参考图4所示，定向耦合器的基质为二氧化硅，波导材质为硅，通过二维结构仿真，基于定向耦合器的初始参数，对上侧波导宽度Wa和下侧波导宽度Wb进行取值，其中，上侧波导宽度Wa的取值为380～420nm范围内等间距取值，表示为{Wai}，下侧波导宽度Wb在536～1136nm范围内以10nm为间隔进行取值，从而根据不同的取值进行组合，得到多组波导宽度组合，并通过这些波导宽度组合对应的本征模场分布(通过两分立波导的特征模式表示)代入到耦合系数公式，即公式：
Figure BDA0002193813060000111
从而计算得到耦合系数κ，而下侧波导的传播常数β2可直接通过二维结构仿真得到。
进一步地，在本发明实施例中，在得到上述实施例的二维结构仿真结果之后，通过遗传算法随机生成种群，种群个体的基因是由三个变量编码(Wbs，Wbe，Lc)组成，三个变量分别为渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度与耦合长度，图5为本发明实施例提供的锥形非对称定向耦合器的结构示意图，可参考图5所示，Wa表示锥形非对称定向耦合器的上侧波导宽度，Wbs表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导始端宽度，Wbe表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导末端宽度，Lc表示耦合长度，g表示上侧波导和下侧波导之间的间距。对每一次生成的(Wbs，Wbe，Lc)，计算优化目标函数G：
Figure BDA0002193813060000112
其中，T(Wai，Wbs，Wbe，Lc)表示器件透过率，定义为仅激励上侧波导时，下侧波导末端TE1模的光功率PTE1(Lc)，与上侧波导中输入光功率PTE0(0)的比值，表达式为：
Figure BDA0002193813060000121
设置PTE0(0)＝1，PTE1(0)＝0，对应锥形结构耦合模公式的A(0)＝1，B(0)＝0，进一步地，将(Wai，Wbs，Wbe，Lc)代入锥形结构耦合模公式中，得到PTE1(Lc)＝|B(Lc)|2。需要说明的是，对于每一次(Wai，Wbs，Wbe，Lc)的计算过程，对应的耦合系数与传播常数通过三次样条插值得。最终，通过锥形结果耦合模公式与插值计算，得到目标函数G对应的最优解。在本发明实施例中，在Lc＜60μm的约束条件下，优化得到的渐变结构设计参数为(764nm，916nm，56.48μm)。图6为本发明实施例提供的仿真结果示意图，可参考图6所示，在1500～1600nm的工作波段，当Wa的取值范围在380～420nm时，器件插入损耗IL均小于1.5dB，其中，IL＝10log(T)，使用经过优化设计的锥形非对称定向耦合器后的器件工艺容差特性得到了极大的改善。
图7为本发明实施例提供的用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供了一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统，包括波导初始参数获取模块701、插值样本获取模块702和处理模块703，其中，波导初始参数获取模块701用于根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；插值样本获取模块702用于基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；处理模块703用于根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
本发明实施例提供的一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统，通过使用插值方法和遗传算法，对光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的参数进行优化，使得优化后的光模分复用器的工艺容差特性得到较大提高，同时降低了器件结构参数设计的时间成本，从而更加快速的对光模分复用器进行设计。
进一步地，所述系统还包括优化模块，用于根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图8为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图8，该电子设备可以包括：处理器(processor)801、通信接口(Communications Interface)802、存储器(memory)803和通信总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行如下方法：根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
此外，上述的存储器803中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，例如包括：根据预设工艺容差和相位匹配条件，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本；根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，其特征在于，包括：
根据预设工艺容差和相位匹配条件，通过仿真软件进行建模，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；
基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本，具体步骤为：
基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，通过二维结构仿真，对所述待优化光模分复用器进行仿真，得到二维结构仿真结果，所述二维结构仿真结果包括多个上侧波导宽度和下侧波导宽度，以用于组合得到多组波导宽度组合；
根据所述二维结构仿真结果，获取每组波导宽度组合对应的耦合系数和下侧波导传播常数；
根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，所述锥形结构耦合模公式为：
Figure FDA0002457129580000011
其中，A表示上侧波导的振幅常数，κ表示耦合系数，B表示下侧波导的振幅常数，β1表示上侧波导模场的传播常数，β2表示下侧波导模场的传播常数；并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数,具体步骤为：
通过遗传算法随机生成种群，其中，种群个体的基因是由三个变量编码(Wbs，Wbe，Lc)组成，三个变量分别为渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度与耦合长度，Wa表示锥形非对称定向耦合器的上侧波导宽度，Wbs表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导始端宽度，Wbe表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导末端宽度，Lc表示耦合长度，g表示上侧波导和下侧波导之间的间距，对每一次生成的(Wbs，Wbe，Lc)，计算优化目标函数G：
Figure FDA0002457129580000021
其中，T(Wai，Wbs，Wbe，Lc)表示器件透过率，定义为仅激励上侧波导时，下侧波导末端TE1模的光功率PTE1(Lc)，与上侧波导中输入光功率PTEO(O)的比值，表达式为：
Figure FDA0002457129580000022
设置PTEO(0)＝1，PTE1(0)＝0，对应锥形结构耦合模公式的A(0)＝1，B(0)＝0，将(Wai，Wbs，Wbe，Lc)代入所述锥形结构耦合模公式中，得到PTE1(Lc)＝|B(Lc)|2。
2.根据权利要求1所述的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，其特征在于，所述最优耦合性能参数包括锥形非对称定向耦合器的渐变波导始端最佳宽度、渐变波导末端最佳宽度和最佳耦合长度。
3.根据权利要求1所述的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，其特征在于，在所述根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数之后，所述方法还包括：
根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
4.根据权利要求1所述的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，其特征在于，所述初始上侧波导宽度的基模和所述初始下侧波导宽度的高阶模式的有效折射率相等。
5.根据权利要求3所述的用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法，其特征在于，包括：
根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，并通过三维结构仿真，对优化后的光模分复用器的参数进行调整，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
6.一种用于光模分复用器的锥形结构参数优化系统，其特征在于，包括：
波导初始参数获取模块，用于根据预设工艺容差和相位匹配条件，通过仿真软件进行建模，获取待优化光模分复用器的波导初始参数，所述波导初始参数包括待优化光模复用器的初始上侧波导宽度和初始下侧波导宽度；
插值样本获取模块，用于基于所述初始上侧波导宽度、所述初始下侧波导宽度和预设取值范围，获取上侧波导宽度和下侧波导宽度的多组波导宽度组合，并根据多组波导宽度组合获取对应的耦合系数和下侧波导传播常数，以用于构建插值样本，所述插值样本获取模块具体用于：
基于所述初始上侧波导宽度、初始下侧波导宽度和预设取值范围，通过二维结构仿真，对所述待优化光模分复用器进行仿真，得到二维结构仿真结果，所述二维结构仿真结果包括多个上侧波导宽度和下侧波导宽度，以用于组合得到多组波导宽度组合；
根据所述二维结构仿真结果，获取每组波导宽度组合对应的耦合系数和下侧波导传播常数；
处理模块，用于根据锥形结构耦合模公式和所述插值样本，获取所述待优化光模分复用器的锥形非对称定向耦合器的耦合性能参数，所述锥形结构耦合模公式为：
Figure FDA0002457129580000031
其中，A表示上侧波导的振幅常数，κ表示耦合系数，B表示下侧波导的振幅常数，β1表示上侧波导模场的传播常数，β2表示下侧波导模场的传播常数；并通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，得到最优耦合性能参数，所述最优耦合性能参数包括锥形非对称定向耦合器的渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度和耦合长度，所述处理模块通过遗传算法对所述耦合性能参数进行处理，具体为：
通过遗传算法随机生成种群，其中，种群个体的基因是由三个变量编码(Wbs，Wbe，Lc)组成，三个变量分别为渐变波导始端宽度、渐变波导末端宽度与耦合长度，Wa表示锥形非对称定向耦合器的上侧波导宽度，Wbs表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导始端宽度，Wbe表示锥形非对称定向耦合器的下侧波导末端宽度，Lc表示耦合长度，g表示上侧波导和下侧波导之间的间距，对每一次生成的(Wbs，Wbe，Lc)，计算优化目标函数G：
Figure FDA0002457129580000041
其中，T(Wai，Wbs，Wbe，Lc)表示器件透过率，定义为仅激励上侧波导时，下侧波导末端TE1模的光功率PTE1(Lc)，与上侧波导中输入光功率PTE0(0)的比值，表达式为：
Figure FDA0002457129580000042
设置PTE0(0)＝1，PTE1(0)＝0，对应锥形结构耦合模公式的A(0)＝1，B(0)＝0，将(Wai，Wbs，Wbe，Lc)代入所述锥形结构耦合模公式中，得到PTE1(Lc)＝|B(Lc)|2；
优化模块，用于根据所述最优耦合性能参数，对所述待优化光模分复用器进行优化，得到基于锥形非对称定向耦合器的光模分复用器。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法的步骤。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述用于光模分复用器的锥形结构参数优化方法的步骤。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112505829B (zh) * 2020-12-14 2022-02-15 华中科技大学 一种模式选择性耦合器设计方法
CN112987289B (zh) * 2021-02-05 2022-09-20 中国科学院微电子研究所 一种波导结构的参数优化方法
CN114167545B (zh) * 2021-12-06 2023-11-07 南通大学 一种超紧凑绝热模式耦合器的设计方法
CN114114537B (zh) * 2021-12-08 2022-11-01 南通大学 一种超紧凑绝热锥形波导的设计方法
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Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3885183B2 (ja) * 2000-01-17 2007-02-21 独立行政法人産業技術総合研究所 光学装置、光学装置の調整方法、およびその調整方法で実行する処理プログラムを記録した記録媒体
JP2006091785A (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Matsushita Electric Works Ltd 光導波路板
US9506740B2 (en) * 2009-12-01 2016-11-29 The Brigham And Women's Hospital System and method for calibrated spectral domain optical coherence tomography and low coherence interferometry
JP2015523578A (ja) * 2012-07-27 2015-08-13 ソルラブス、インコーポレイテッド 敏捷な画像化システム
CN102855392A (zh) * 2012-08-10 2013-01-02 河海大学 一种基于遗传算法的Kriging插值的地面沉降空间监控方法
CN103646422B (zh) * 2013-12-19 2016-03-09 哈尔滨工程大学 基于遗传多层b样条插值算法的三维显示方法
CN104678492B (zh) * 2015-02-26 2017-05-24 南京邮电大学 基于光子晶体的模分复用与解复用器
CN105826811B (zh) * 2016-05-06 2020-10-23 华中科技大学 一种可调谐激光器的表征方法及装置
CN106777527A (zh) * 2016-11-24 2017-05-31 上海市特种设备监督检验技术研究院 基于神经网络模型的起重机小车运行能耗分析方法
CN108508539B (zh) * 2018-03-21 2019-12-17 华中科技大学 基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器

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