CN113325514A - 光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，包括：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；根据光功率分束器不同的光功率分配比和多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状；本发明还涉及一种光功率分束器；本发明采用伴随形状优化法多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状，并通过样条插值法定义锥形波导区的几何形状，避免生成需要小特征尺寸的尖锐角结构。

Description

光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器
技术领域
本发明涉及硅基光电子技术领域，特别是涉及一种光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器。
背景技术
近年来，随着绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)技术的发展，硅基光子学逐渐引起人们关注。它的优势在于硅材料具有其他材料无法比拟的低成本和高质量，硅光器件制作过程与商用成熟的CMOS工艺兼容，有助于大规模高质量生产，并且为实现光电器件单片集成提供可能。另一方面，波导芯层硅材料(n＝3.476)与包层二氧化硅材料(n＝1.455)具有大的折射率差，这种高折射率对比大大增强了波导的光场限制能力，有助于降低光波导的尺寸，提高器件集成度。而且，硅材料在近红外通信波段的光吸收极小，使得器件具有非常低的光传输损耗。
功率分配器作为光子集成电路的基本组成部分之一，被广泛应用于波分复用、信号反馈、信号监控和功率分配等光电路中。对于这些应用来说，任意的光功率分配比是很重要的。近十年来，出现了一系列的光功率分束结构。定向耦合器作为光子系统中最常用的光功率分配方法之一，可以获得任意的光功率分配比，但通常存在波长敏感性。与定向耦合器不同，传统的多模干涉仪在更宽的带宽中表现良好，但它表现出不可忽视的附加损耗。为了实现任意光功率分配比的功能，同时使其在宽频带内表现良好，有人提出了非对称多模干涉仪。然而，由于尖角造成的小特征尺寸使得这些非对称多模干涉仪对制造误差有较低的容错，同时具有相对较高的附加损耗。
虽然上述功率分配器可以达到部分性能要求，但上述光功率分配器仍难以同时满足紧凑、波长不敏感、低损耗和兼容CMOS标准制造工艺的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器，设计出的光功率分束器结构紧凑、附加损耗低，并且器件的功率分配比与波长无关。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，包括：
步骤(1)：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；
步骤(2)：根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；
步骤(3)：根据光功率分束器不同的光功率分配比和所述多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状。
所述步骤(1)中将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点时，还包括：每个几何参数点的横坐标恒定且间隔相等。
所述步骤(2)具体为：根据光功率分束器不同的光功率分配比，将多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，通过伴随形状优化法计算每个几何参数点的形状导数，并通过多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状。
所述步骤(2)中的多个预设波长点为多个波长范围在1300nm-1800nm的波长点。
所述步骤(2)和步骤(3)中光功率分束器不同的光功率分配比包括：5：5、6：4、7：3、8：2或9：1。
所述步骤(3)中确定所述锥形波导区的最终二维几何形状，具体为：通过样条插值法将所述若干个几何参数点连起来得到锥形波导区的最终二维几何形状。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光功率分束器，包括采用上述光功率分束器的锥形波导区设计方法设计的锥形波导区、与所述锥形波导区的输入端连接的输入波导，以及与所述锥形波导区的输出端连接的第一输出波导和第二输出波导；所述输入波导用于将输入的光信号通过所述锥形波导区传输至所述第一输出波导和第二输出波导。
所述锥形波导区的宽度为0.5μm～1.2μm、长度小于或等于2μm。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的光功率分束器结构紧凑、附加损耗低，并且器件的功率分配比与波长无关；本发明的光功率分束器的锥形波导区设计方法采用伴随形状优化法多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状，并通过样条插值法定义锥形波导区的几何形状，避免生成需要小特征尺寸的尖锐角结构；本发明能够在合理的时间内对复杂的锥形波导区几何形状进行优化，并且大大降低了计算成本。
附图说明
图1是本发明实施方式的原理示意图；
图2是本发明实施方式的光功率分束器的电场强度分布图；
图3是本发明实施方式的光功率分束器附加损耗示意图；
图4是本发明实施方式的光功率分束器的功率分配比对波长的依赖关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种光功率分束器，如图1所示，光功率分束器设置在绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)被氧化层覆盖的220纳米厚的硅芯层，包括输入波导、与所述输入波导连接的锥形波导区，以及与所述锥形波导区连接的第一输出波导Port1和第二输出波导Port2；所述输入波导用于将输入的光信号通过所述锥形波导区传输至所述第一输出波导Port1和第二输出波导Port2。
进一步地，所述锥形波导区的宽度为0.5μm～1.2μm、长度小于或等于2μm。
本发明的实施方式涉及一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，包括：
在详细说明本实施方式设计方法之前，先介绍一下现有技术运用的方法，具体如下：
现有方法如遗传优化、粒子群优化、或其他混合优化方法，大多数优化是基于启发式优化方法。然而，启发式优化方法依赖于大量使用不同参数集的随机测试，导致解空间的参数化受到限制，并且由于求解麦克斯韦方程组的计算成本较高，这些方法只能用于优化参数较少的相对简单的几何，否则，这些方法将无法在合理的时间内对更复杂的几何图形进行优化。
进一步地，在形状优化仿真中，形状导数起着重要的作用，故本实施方式的光功率分束器的锥形波导区设计方法将形状导数运用其中，具体包括：
步骤(1)：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；
步骤(2)：根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；
所述步骤(2)具体为：根据光功率分束器不同的光功率分配比，将多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，通过伴随形状优化法计算每个几何参数点的形状导数，并通过多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状。
所述步骤(2)和步骤(3)中光功率分束器不同的光功率分配比包括：5：5、6：4、7：3、8：2或9：1。
步骤(3)：根据光功率分束器不同的光功率分配比和多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状。
所述步骤(3)中确定所述锥形波导区的最终二维几何形状，具体为：通过样条插值法将所述若干个几何参数点连起来得到锥形波导区的最终二维几何形状。
本实施方式通过对光功率分束器的锥形波导区进行优化，使得光功率分束器的附加损耗在1300nm到1800nm波长范围内被限制在0.024dB-0.127dB。
下面通过一个具体的实施方式进一步说明本发明：
本实施方式采用伴随形状优化来计算锥形波导区的形状导数，它能够计算空间中所有点的形状导数，并且每次迭代只需要两个电磁模拟。本实施方式中的输入波导Iin、第一输出波导Port1和第二输出波导Port2的几何形状均为500nm宽，220nm高，锥形波导区的宽度从0.5μm变化到1.2μm。由于光功率分束器这样简单的无源器件应该尽可能的紧凑，为集成光电路中其他复杂的有源器件节省空间，故本实施方式将锥形波导区的长度限制在2μm，从而保证了器件的紧凑性。优化时，将锥形波导区的几何参数化为20个几何参数点，每个几何参数点的横坐标(x坐标)恒定且等间隔，对每个几何参数点的纵坐标(y坐标)进行优化，图1(a)中将20个几何参数点标记为y1～y20，以实现低附加损耗。最后，通过对这20个几何参数点的样条插值法来定义锥形波导区的几何形状，避免生成需要小特征尺寸的尖锐角结构，优化过程的透视图如图1(b)所示。
进一步地，优化的波长范围为1300–1800nm，以等间隔取21个波长作为优化波长(即21个波长点)，故本实施方式的目标优化函数是第一输出波导Port1和第二输出波导Port2上TE0模式在每个优化波长点的传输效率。不同光功率分配比优化出的最终版光功率分束器的电场强度分布如图2(a)至2(e)所示，虚线为最终优化出的锥形波导区的几何图形。
进一步地，所有结构的附加损耗如图3所示，结果表明，对于每种结构，模拟的附加损耗都在0.024dB-0.127dB范围内。本实施方式用TP1、TP2分别表示第一输出波导Port1和第二输出波导Port2的传输效率，则功率分配比被定义为：
Figure BDA0003084308480000051
在1300nm–1800nm的范围，功率分配比对波长的依赖关系如图4所示，虚线是理想期望值，可以看出在整个测量波长范围内，所有光功率分束器的功率分配比对波长的依赖性都很弱，其变化幅度在0.459dB以下。
由此可见，本发明的光功率分束器结构紧凑、附加损耗低，并且器件的功率分配比与波长无关；本发明的光功率分束器的锥形波导区设计方法采用伴随形状优化法多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状，并通过样条插值法定义锥形波导区的几何形状，避免生成需要小特征尺寸的尖锐角结构。

Claims (8)

1.一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；
步骤(2)：根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；
步骤(3)：根据光功率分束器不同的光功率分配比和所述多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状。
2.根据权利要求1所述的光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点时，还包括：每个几何参数点的横坐标恒定且间隔相等。
3.根据权利要求1所述的光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：根据光功率分束器不同的光功率分配比，将多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，通过伴随形状优化法计算每个几何参数点的形状导数，并通过多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状。
4.根据权利要求1所述的光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的多个预设波长点为多个波长范围在1300nm-1800nm的波长点。
5.根据权利要求1所述的光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中光功率分束器不同的光功率分配比包括：5：5、6：4、7：3、8：2或9：1。
6.根据权利要求1所述的光功率分束器的锥形波导区设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定所述锥形波导区的最终二维几何形状，具体为：通过样条插值法将所述若干个几何参数点连起来得到锥形波导区的最终二维几何形状。
7.一种光功率分束器，其特征在于，包括采用如权利要求1-6中任一所述光功率分束器的锥形波导区设计方法设计的锥形波导区、与所述锥形波导区的输入端连接的输入波导，以及与所述锥形波导区的输出端连接的第一输出波导和第二输出波导；所述输入波导用于将输入的光信号通过所述锥形波导区传输至所述第一输出波导和第二输出波导。
8.根据权利要求7所述的光功率分束器，其特征在于，所述锥形波导区的宽度为0.5μm～1.2μm、长度小于或等于2μm。
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