CN113514920A - 一种星型耦合器及功率均匀分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星型耦合器，包括输入波导端、FPR区域和输出波导端，所述输出波导端包括多个输出波导，所述输入波导端与FPR区域的一端相连，所述FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连，所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域，所述FPR区域设置有若干规则形状单元格，根据预设成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使所述输出波导的功率均匀分布；本发明还涉及一种星型耦合器的功率均匀分配方法，能够有效克服星型耦合器的输出功率分配不均匀的问题，并且计算量小且复杂度低。

Description

一种星型耦合器及功率均匀分配方法
技术领域
本发明涉及平面光波导集成器件技术领域，特别是涉及一种星型耦合器及功率均匀分配方法。
背景技术
现有技术背景：N×N星型耦合器是光通信网络中的重要器件，而平面波导星型耦合器以其结构紧凑、适用于大规模集成而成为一种很有潜力的方案。目前有两种平面波导星型耦合器的实现方案，一种是2*2方向耦合器的级联，在这种方案中，3dB耦合器的数目与端口数N的关系为N/2*log2(N)，所以成本及复杂度成为主要的限制因素。另一种是有Dragone等提出的衍射型星型耦合器，它是由输入/输出阵列波导及连接它们的平板波导衍射区组成。从任意一个输入波导输入的光，都将通过平板波导区的衍射而被各输出波导接收。这种结构尺寸相对较小，同时信道的数目可以很大，这种方案更适合于大规模的N×N星型耦合器。目前已经报道的星型耦合器有8×8、19×19、64×64等，但是其插入损耗和均匀性并不十分理想。功率的不均匀分配是由于来自任何一个波导的光在自由传播区(FPR)的衍射图案都近似高斯形。
现有技术结构：为了克服功率分配不均匀性的问题，人们可以增加接受外波导的孔宽度。然而，这种方法只可以在单一方向的星型耦合器中使用，单一方向的星型耦合即为星型耦合器的输入和输出侧均被固定。
另一个方法是利用在输入阵列中定向耦合平行波导端部形成一个特殊的光衍射特性的场分布图形。输入阵列中的波导的形状需要特殊设计，已获得这种特殊的光衍射特性分布图形。因此，这种设计的星型耦合器对制造变化非常敏感，加工精度要求非常高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种星型耦合器的功率均匀分配方法，克服了星型耦合器的输出功率分配不均匀的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种星型耦合器，包括包括输入波导端、FPR区域和输出波导端，所述输出波导端包括多个输出波导，所述输入波导端与FPR区域的一端相连，所述FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连，所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域，所述FPR区域设置有若干规则形状单元格，根据预设成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使所述输出波导的功率均匀分布。
所述FPR区域长度公式为：R＝(Narray*wa+(Narray-1)*ws)/2θmax，其中，(Narray*wa+(Narray-1)*ws)为输出波导的排列总长度，R为FPR区域的长度，θmax为输入波导孔径张角且θmax＝1.5θ0，θ0为输入波导的发散角，Narray为输出波导的数目，wa为输出波导的宽度，ws为输出波导的间距。
所述多个输出波导中靠近所述FPR区域边缘的两个输出波导的宽度大于或等于其余输出波导，所述其余输出波导的宽度相同。
所述规则形状单元格包括两种状态，分别为：打孔状态和非打孔状态，其中，所述打孔状态为所述规则形状单元格正中心设置有圆孔。
所述规则形状单元格为正方形单元格。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种星型耦合器的功率均匀分配方法，包括：
步骤(1)：设置输出波导和输入波导的宽度，并将所述输出波导按预设间距依次排列；
步骤(2)：根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度；所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域；
步骤(3)：将FPR区域的一端与所述输入波导端相连，将FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连；
步骤(4)：扫描FPR区域与波导输入端耦合位置的宽度，得到总透射率；
步骤(5)：根据所述总透射率将所述FPR区域依次划分为若干个规则形状单元格；
步骤(6)：根据预设成像算法和预设目标函数来调整所述规则形状单元格的状态，使输出波导的功率均匀分布。
所述步骤(1)中的输出波导和输入波导的宽度均为0.5微米。
所述步骤(2)中根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度，公式为：R＝(Narray*wa+(Narray-1)*ws)/2θmax，其中，(Narray*wa+(Narray-1)*ws)为输出波导的排列总长度，R为FPR区域的长度，θmax为输入波导孔径张角且θmax＝1.5θ0，θ0为输入波导的发散角，Narray为输出波导的数目，wa为输出波导的宽度，ws为输出波导的间距。
所述步骤(4)中的若干个规则形状单元格对称地分布在FPR区域。
所述步骤(5)中的根据预设成像算法和预设目标函数来调整所述规则形状单元格的状态，具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描FPR区域中的第i个规则形状单元格，并计算第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值，将第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值与第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值进行比较，若第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值优于第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值，则保留第i个扫描的规则形状单元格的状态，否则将第i个扫描的规则形状单元格恢复原状态，直至扫描完所有规则形状单元格。
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：本发明通过在FPR区域设置规则形状单元格，每个规则形状单元格包括打孔和不打孔两种状态，通过DBS算法和预设目标函数来确定每个规则形状单元格的具体状态，保证星型耦合器的输出功率均匀分配；由于本发明的星形耦合器是对称的，故本发明在扫描规则形状单元格时仅扫描一半单元格即可，大大减小了计算量和复杂度；本发明通过增加边缘位置的输出波导的宽度，能够减少边缘位置光场的耗散，以实现低损耗传输；本发明的实用性和适用性较高，可应用于众多环境。
附图说明
图1是本发明实施方式的星型耦合器结构示意图；
图2是本发明实施方式的规则形状单元格两种状态示意图；
图3是本发明实施方式的1×10光功率分配星型耦合器的结构示意图；
图4是本发明实施方式的优化后输出波导阵列的接收示意图；
图5是本发明实施方式的优化后1×10光功率分配星型耦合器的光场分布示意图。
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星型耦合器，如图1所示，包括输入波导端1、FPR区域2(即自由传播区)和输出波导端3，所述输出波导端3包括多个输出波导，所述输入波导端1与FPR区域2的一端相连，所述FPR区域3的另一端分别与所述多个输出波导相连，所述FPR区域2为以所述输入波导端1与所述FPR区域2的耦合点(即图3中的O点)为中心，以FPR区域2长度为半径构成的扇形区域，所述FPR区域2设置有若干规则形状单元格，根据预设成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使所述输出波导的功率均匀分布；所述规则形状单元格包括两种状态，分别为：打孔状态和非打孔状态，其中，所述打孔状态为所述规则形状单元格正中心设置有圆孔，从图1可以看出FPR区域2上的若干小白点即为正中心设置有圆孔的规则形状单元格，并且小白点是填充二氧化硅材料，非打孔状态的规则形状单元格填充硅材料。
进一步地，所述规则形状单元格为正方形单元格，所述正方形单元格的边长为120纳米；所述正中心设置有圆孔的规则形状单元格的圆孔直径为90纳米。
值得一提的是，本实施方式对于边缘位置的输出波导可以适当增加波导宽度，以减少边缘位置光场的耗散，具体为：所述多个输出波导中靠近所述FPR区域2边缘的两个输出波导的宽度大于或等于其余输出波导，所述其余输出波导的宽度相同。
本发明的实施方式涉及一种星型耦合器的功率均匀分配方法，主要原理是通过光在FPR区域的路径发生变化，来实现输出波导的功率均匀分配，具体包括以下步骤：
步骤(1)：设置输出波导和输入波导的宽度，并将所述输出波导按预设间距依次排列；
所述步骤(1)中的输出波导和输入波导的宽度设置为0.5微米，预设间距设置为0.2微米。
步骤(2)：根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度；所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点(即图3中的O点)为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域。
所述步骤(2)中根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度，公式为：R＝(Narray*wa+(Narray-1)*ws)/2θmax，其中，(Narray*wa+(Narray-1)*ws)为输出波导的排列总长度，R为FPR区域的长度，θmax为输入波导孔径张角，为了尽可能将衍射光场吸收，本实施方式θmax的取值为θmax＝1.5θ0，θ0为输入波导的发散角，Narray为输出波导的数目，wa为输出波导的宽度，ws为输出波导的间距。
步骤(3)：将FPR区域的一端与所述输入波导端相连，将FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连。
步骤(4)：扫描FPR区域的波导输入端的宽度，得到总透射率；
步骤(5)：根据所述总透射率将所述FPR区域依次划分为若干个规则形状单元格，每一个规则形状单元格有两种状态：分别为：打孔状态和非打孔状态，其中，所述打孔状态为所述规则形状单元格正中心设置有圆孔；
进一步地，由于本实施方式的星型耦合器结构是关于输入波导端的中心和输出波导端的中心连线对称(即上下对称)，所以每次扫描规则形状单元格是对称改变上下对应的两个规则形状单元格的状态，即所述步骤(5)中的若干个规则形状单元格均匀对称地分布在FPR区域，这样能够尽量保证输出波导上下对称的两个输出结果一致，减少了计算量和复杂度。
设置有圆孔的规则形状单元格(即打孔的规则形状单元格)可以改变器件局部折射率分布，从而改变光场分布，最终在输出波导端实现通道损耗均匀。
步骤(6)：根据预设成像算法和预设目标函数来调整每个规则形状单元格的状态，以使预设目标函数达到最大值，进而保证输出波导的功率均匀分布。
所述步骤(5)中的根据预设成像算法和预设目标函数来调整所述规则形状单元格的状态，具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描FPR区域中的第i个规则形状单元格，并计算第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值，将第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值与第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值进行比较，若第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值优于第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值，则保留第i个扫描的规则形状单元格的状态，否则将第i个扫描的规则形状单元格恢复原状态，直至扫描完所有规则形状单元格；具体通过本实施方式优化后的结果见图3和图4，图3中的小白点即为正中心设置有圆孔的规则形状单元格。
由此可见，本发明通过在FPR区域设置规则形状单元格，每个规则形状单元格包括打孔和不打孔两种状态，通过DBS算法和预设目标函数来确定每个规则形状单元格的具体状态，保证星型耦合器的输出功率均匀分配；由于本发明的星形耦合器是对称的，故本发明在扫描规则形状单元格时仅扫描一半单元格即可，大大减小了计算量和复杂度。

Claims (10)

1.一种星型耦合器，其特征在于，包括输入波导端、FPR区域和输出波导端，所述输出波导端包括多个输出波导，所述输入波导端与FPR区域的一端相连，所述FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连，所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域，所述FPR区域设置有若干规则形状单元格，根据预设成像算法和预设目标函数调整所述规则形状单元格的状态，使所述输出波导的功率均匀分布。
2.根据权利要求1所述的星型耦合器，其特征在于，所述FPR区域长度公式为：R＝(Narray*wa+(Narray-1)*ws)/2θmax，其中，(Narray*wa+(Narray-1)*ws)为输出波导的排列总长度，R为FPR区域的长度，θmax为输入波导孔径张角且θmax＝1.5θ0，θ0为输入波导的衍射角，Narray为输出波导的数目，wa为输出波导的宽度，ws为输出波导的间距。
3.根据权利要求1所述的星型耦合器，其特征在于，所述多个输出波导中靠近所述FPR区域边缘的两个输出波导的宽度大于或等于其余输出波导，所述其余输出波导的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的星型耦合器，其特征在于，所述规则形状单元格包括两种状态，分别为：打孔状态和非打孔状态，其中，所述打孔状态为所述规则形状单元格正中心设置有圆孔。
5.根据权利要求1所述的星型耦合器，其特征在于，所述规则形状单元格为正方形单元格。
6.一种星型耦合器的功率均匀分配方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：设置输出波导和输入波导的宽度，并将所述输出波导按预设间距依次排列；
步骤(2)：根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度；所述FPR区域为以所述输入波导端与所述FPR区域的耦合点为中心，以FPR区域长度为半径构成的扇形区域；
步骤(3)：将FPR区域的一端与所述输入波导端相连，将FPR区域的另一端分别与所述多个输出波导相连；
步骤(4)：扫描FPR区域与波导输入端耦合位置的宽度，得到总透射率；
步骤(5)：根据所述总透射率将所述FPR区域依次划分为若干个规则形状单元格；
步骤(6)：根据预设成像算法和预设目标函数来调整所述规则形状单元格的状态，使输出波导的功率均匀分布。
7.根据权利要求6所述的星型耦合器的功率均匀分配方法，其特征在于，所述步骤(1)中的输出波导和输入波导的宽度均为0.5微米。
8.根据权利要求6所述的星型耦合器的功率均匀分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据所述输入波导的发散角以及输出波导的排列总长度，计算FPR区域的长度，公式为：R＝(Narray*wa+(Narray-1)*ws)/2θmax，其中，(Narray*wa+(Narray-1)*ws)为输出波导的排列总长度，R为FPR区域的长度，θmax为输入波导孔径张角且θmax＝1.5θ0，θ0为输入波导的发散角，Narray为输出波导的数目，wa为输出波导的宽度，ws为输出波导的间距。
9.根据权利要求6所述的星型耦合器的功率均匀分配方法，其特征在于，所述步骤(5)中的若干个规则形状单元格对称地分布在FPR区域。
10.根据权利要求6所述的星型耦合器的功率均匀分配方法，其特征在于，所述步骤(6)中的根据预设成像算法和预设目标函数来调整所述规则形状单元格的状态，具体为：根据DBS成像算法和预设目标函数扫描FPR区域中的第i个规则形状单元格，并计算第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值，将第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值与第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值进行比较，若第i个扫描的规则形状单元格的目标函数值优于第i个扫描的规则形状单元格未改变状态时的目标函数值，则保留第i个扫描的规则形状单元格的状态，否则将第i个扫描的规则形状单元格恢复原状态，直至扫描完所有规则形状单元格。
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