CN114019604B - 一种小型波分解复用-复用器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型波分解复用‑复用器件。包括衬底、信号输入波导、信号输出波导和波分解复用区域；信号输入波导、信号输出波导和波分解复用区域均布置在衬底上，信号输出波导包括结构相同且相间隔布置的第一、第二输出波导；波分解复用区域通过拓扑优化逆向设计，连接在所述信号输入波导和信号输出波导之间；两个经多路复用的两种波长的光信号经信号输入波导输入，经过波分解复用区域后被分离至第一、第二输出波导分离地输出。本发明基于伴随源法对器件进行拓扑优化逆向设计，使其实现了长波长间隔的波分解复用‑复用功能，解决了传统片上波分解复用器件中存在的占位面积大、性能不稳定的问题。

Description

一种小型波分解复用-复用器件

技术领域

本发明属于光通讯技术领域的一种波分解复用-复用器件，尤其涉及一种小型基于拓扑优化逆向设计的硫系波分解复用-复用器件。

背景技术

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号加载在同一个波导内，通过不同的其中一般可以使用复用器将不同波长的光波耦合成一束，运用解复用器将不同光波分离开来。WDM技术能有效的利用光通信庞大的带宽资源，有效的降低传输成本。

传统的复用-解复用器件类型主要有光学薄膜滤波器，成熟的商用模块中大部分采用的就是将光学薄膜滤波片作为波分复用的基本元器件，但是这种方案具有难以组装对准、系统体积较大、难以集成的缺点。随着集成光子学的兴起，片上波分复用结构有较早应用的阵列波导光栅（AWG）和阶梯闪耀光栅（EDG）是基于衍射原理，一直以来被用作波分复用／解复用器，根据干涉的基本原理，结构难以获得较平顶的响应光谱和大波长间隔，很难应用于需要较大带宽的WDM系统。同时，虽然有成熟的商用的波分复用芯片，但是尺寸相对较大。微环谐振腔（MRR）也是常用的波分复用器结构，基于多光束干涉的原理，在谐振腔内产生品质因子较高的光谱，但是波长通道数受限于自由光谱范围（FSR），并且难以实现光谱带宽较宽的滤波器，对系统波长漂移非常敏感。马赫泽德干涉仪（MZI）结构基于双光束干涉的原理，调节两个光束的光程差／相位差实现波长响应的光谱，具有平顶光谱的波分复用器需要多级级联的MZI结构设计，但是波长间隔通常较大，器件结构较大。

最关键的是，上述所有的设计都是基于硅基光子器件，除了硅以外，硫系材料也是集成光子学的重要的平台之一。硫系材料是指包含了在元素周期表中Ⅵ族“硫系元素”的化合物，一般指S、Se和Te。相比于硅系材料，硫系材料由于具有众多的光敏性、宽红外窗口和高光学非线性的特点在光通信、医疗和国防工业都具有重要的应用价值。而对于硫基光子器件而言，由于硫系玻璃的折射率小于硅，器件结构大于硅的结构，关于波分复用-解复用器件的设计更是一片空白。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是公开了一种小型基于拓扑优化逆向设计的硫系波分解复用-复用器件，从而克服现有技术的缺陷。

本发明包括基于硫系介质的光子器件实现近红外长波低损信号传输功能；基于伴随源法对器件进行拓扑优化逆向设计，使其实现了长波长间隔的波分解复用-复用功能，以解决2025nm和1550nm的波分复用，填补了硫系波分复用-解复用器件设计的空白。

本发明所采用的技术方案是包括：

衬底；

信号输入波导，布置在所述衬底上；

信号输出波导，布置在所述衬底上，包括第一输出波导和第二输出波导，第一输出波导和第二输出波导结构相同且相间隔布置；

波分解复用区域，所述波分解复用区域布置在所述衬底上，波分解复用区域被划分单元且通过拓扑优化逆向设计，连接在所述信号输入波导和信号输出波导之间；两个加载不同信号、波长分别为λ1和λ2的光信号从信号输入波导输入，经过波分解复用区域按照选定模式被分离至第一输出波导和第二输出波导分离地输出。

波分解复用区域实际为波分解复用-复用区域，可以为解复用，也可以为复用。

本发明所述的“小型”是指尺寸小于10*10平方微米。

所述衬底材质为二氧化硅。

所述信号输入波导和信号输出波导选用的材质均为硫系玻璃材料。硫系材料由于具有众多的光敏性、宽红外窗口和高光学非线性的特点，使得器件能够低损工作在红外波段。

所述波分解复用区域在立体空间中被划分成n*n个单元长方体，每个单元立方体具有两种可能的材料状态，分为空气或者硫系玻璃材料。

所述的波分解复用区域通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：

根据不同信号输出波导的选定模式的信号输出功率和信号输入波导的信号输入功率之间的比例建立以下目标函数FOM：

FOM=(|a_out|²N_out)/(|a_in|²N_in)

a_m=0.25·((∫dS×E_in×H^* _m)/N_m+(∫dS×E^* _m×H_in)/N^* _m)

N_m=0.5·∫dS×E_m×H^* _m

∇×μ ₀ ^-1∇×E_in-ω ² ε(P)E_in=-iωJ _in

c=λ·ω/(2π)

ε(P)=(ε(p₁),ε(p₂),⋯,ε(p_n×n))

式子中，FOM表示整体器件的目标函数，a _m = a _out 、a _in ，N _m = N _out 、N _in ；a _out 是信号输出波导中选定模式的复传输系数；N _out 是信号输出波导中选定模式的信号功率；a _in 是信号输入波导中选定模式的复传输系数，N _in 是信号输入波导中选定模式的信号功率；E_in为空间中的电场分布，H_in为空间中的磁场分布，E _m 为信号输入波导在选定模式的电场分布，H _m 为信号输入波导在选定模式的磁场分布；μ ₀ 是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J _in 为信号输入波导的电流密度，i表示虚数单位，∇表示梯度算子，c表示真空光速；ε(P)表示介电常数向量，ε(p ₁ )表示第1个单元立方体的介电常数参数，S表示波导的截面积。

按照上述目标函数针对第一输出波导和第二输出波导分别建立针对整体器件的不同目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM=FOM2, FOM2→1, λ=λ2

FOM=FOM1, FOM1→1, λ=λ1

其中，FOM1为第一输出波导（31）的目标函数，FOM2为第二输出波导的目标函数，λ1表示器件中的光信号从第一输出波导所输出时对应的波长，λ2表示器件中的光信号从第二输出波导所输出时对应的波长，→1表示趋近于1；

在上述目标函数的目标下进行求解，获得各个单元立方体的介电常数的最优分布，进而按照最优分布进行波分解复用区域的制作。

本发明的设计为片上光通讯系统的重要组成部分之一。由于传统的复用-解复用器件类型主要有光学薄膜滤波器、马赫曾德尔调制器，无法实现器件结构小型化，不利于集成，同时所有的设计都是基于硅基光子器件，在1550nm以上的红外波段，关于波分复用-解复用器件的设计是一片空白。因此如何实现器件小型化，提高工作性能，实现长波长间隔的红外波分复用-解复用器件设计非常重要，十分具有挑战性。

本发明的设计通过建立目标函数来衡量器件性能。将不同输出波导的输出的TE0模式的信号能量与器件输入信号能量之间的比值作为目标函数，分别记为FOM1和FOM2。为了让器件实现中心波长为1550nm和2025nm的波分解复用-复用，目标函数需要满足一定关系。当输入信号波长在1500nm到1600nm时，能量主要从第二输出波导输出，即FOM2应趋近于1；当输入信号波长在1975nm到2075nm时，能量主要从第一输出波导输出，即FOM1应趋近于1。

将波分解复用-复用区域在空间上划分成300*300个单元结构，每个单元结构的尺寸为20*20*500nm，每个单元结构的材料属性有两种可能，空气或者硫系玻璃材料。所有单元结构的材料属性组合在一起，形成了波分解复用-复用区域的结构形状，一共有2⁹⁰⁰⁰⁰种可能的结构排布。每种结构排布对应一组目标函数，通过伴随法，建立目标函数和每个单元结构材料属性之间的关系，求解出满足目标函数关系的每个单元结构的介电常数的变化梯度，确定每个单元结构的材料属性，最终确定波分解复用-复用区域的结构。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明采用利用连续参数伴随源优化方法对于硫系的波分复用-解复用器件进行设计，实现2025nm和1550nm的波分复用，实现长波长间隔的波分复用-解复用，克服了波分解复用-复用器件结构尺寸大，不易于集成的问题，填补了硫系波分复用-解复用器件设计的空白。

本发明包括基于硫系介质的光子器件实现近红外长波低损信号传输功能，基于伴随源法对器件进行拓扑优化逆向设计，使其实现了长波长间隔的波分解复用-复用功能，解决了传统片上波分解复用器件中存在的占位面积大、性能不稳定的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种小型波分解复用-复用器件的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的输入-输出波导的截面示意图。

图3是根据一示例性实施示出的一种小型波分解复用-复用器件的波分解复用-复用区域示意图。

图4是根据一示例性实施示出的拓扑优化的逆向设计方法流程图。

图5是根据一示例性实施例示出的输出-输出波导的截面不同工作波长下的电场分布图。

图6是根据一示例性实施示出的不同波长下结构电场分布图。

图7是根据一示例性实施示出的不同输出波导的传输谱线。

图中：衬底1、信号输入波导2、信号输出波导3、第一输出波导31、第二输出波导32、波分解复用区域4。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和-或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

如图1所示，具体实施器件的结构包括：

衬底1；

信号输入波导2，布置在衬底1上；

信号输出波导3，布置在衬底1上，包括第一输出波导31和第二输出波导32，第一输出波导31和第二输出波导32结构相同且相间隔布置；

具体实施中，第一输出波导31和第二输出波导32两者平行呈镜像布置且两者之间形成间隔。

波分解复用区域4，波分解复用区域4布置在衬底上，波分解复用区域4通过拓扑优化逆向设计，连接在信号输入波导2和信号输出波导3之间；两个加载不同信号、波长分别为λ1和λ2的光信号从信号输入波导2输入，经过波分解复用区域4按照选定模式被分离至第一输出波导31和第二输出波导32分离地输出。

具体实施中，衬底1材质为二氧化硅，信号输入波导2和信号输出波导3选用的材质均为硫系玻璃材料。

具体实施中，信号输入波导2和信号输出波导3的宽度W_input为900纳米，厚度H_input为500纳米。第一输出波导31和第二输出波导32平行布置之间的间距g为2.4微米。

波分解复用区域4在立体空间中被平均划分成n*n个单元长方体，每个单元立方体具有两种可能的材料状态，分为空气或者硫系玻璃材料。

具体实施中，波分解复用区域4的宽度W₀为6微米，长度L₀为6微米，厚度H₀为500纳米。波分解复用区域4被划分成300*300个单元长方体，每个单元立方体的长度为20纳米，宽度为20纳米，厚度为500纳米。

波分解复用区域的每个单元立方体有两种可能的材料状态，空气或者硫系玻璃材料。

波分解复用区域4通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：

根据不同信号输出波导的选定模式的信号输出功率和信号输入波导的信号输入功率之间的比例建立以下目标函数FOM，通过目标函数来优化器件的性能：

FOM=(|a_out|²N_out)/(|a_in|²N_in)

a_m=0.25·((∫dS×E_in×H^* _m)/N_m+(∫dS×E^* _m×H_in)/N^* _m)

N_m=0.5·∫dS×E_m×H^* _m

∇×μ ₀ ^-1∇×E_in-ω ² ε(P)E_in=-iωJ _in

c=λ·ω/(2π)

ε(P)=(ε(p₁),ε(p₂),⋯,ε(p_n×n))

式子中，FOM表示整体器件的目标函数，|a _out |² N _out 表示的是信号输出波导3中选定模式的前向发射功率，a _m = a _out 、a _in ，N _m = N _out 、N _in ；a _out 是信号输出波导3中选定模式的复传输系数；N _out 是信号输出波导3中选定模式的信号功率；|a _in |² N _in 表示的是信号输入波导2中选定模式的前向发射功率，即馈入系统的信号功率；a _in 是信号输入波导2中选定模式的复传输系数，N _in 是信号输入波导2中选定模式的信号功率；E_in为空间中的电场分布，H_in为空间中的磁场分布，E _m 为信号输入波导2在选定模式的电场分布，H _m 为信号输入波导2在选定模式的磁场分布；μ ₀ 是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J _in 为信号输入波导的电流密度，i表示虚数单位，∇表示梯度算子，c表示真空光速；ε(P)表示介电常数向量，ε(p ₁ )表示第1个单元立方体的介电常数参数，S表示波导的截面积。

按照上述目标函数针对第一输出波导31和第二输出波导32分别建立针对整体器件的不同目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM=FOM2, FOM2→1, λ=λ2

FOM=FOM1, FOM1→1, λ=λ1

其中，FOM1为第一输出波导31的目标函数，FOM2为第二输出波导32的目标函数，λ1表示器件中的光信号从第一输出波导31所输出时对应的波长，λ2表示器件中的光信号从第二输出波导32所输出时对应的波长，→1表示趋近于1，或者等于1。

在上述目标函数的目标下进行求解，获得各个单元立方体的介电常数的最优分布，进而按照最优分布进行波分解复用区域4的制作。

本实施例中，图2是根据一示例性实施示出的输入-输出波导的截面示意图。具体地，所述信号输入-输出波导宽度W_input为900纳米。所述信号输入波导厚度H_input为500纳米。

本实施例中，图3是根据一示例性实施示出的一种小型波分解复用-复用器件的波分解复用-复用区域示意图，将波分解复用-复用区域在空间上划分成300*300=90000个单元结构，每个单元结构的尺寸为20*20*500nm，每个单元结构的材料属性有两种可能，空气或者硫系玻璃材料。所有单元结构的材料属性组合在一起，形成了波分解复用-复用区域的结构形状，一共有2⁹⁰⁰⁰⁰种可能的结构排布。每种结构排布对应一组目标函数。

本实施例中，图4是根据一示例性实施示出的拓扑优化的逆向设计方法流程图。将不同输出波导的输出的TE0模式的信号能量与器件输入信号能量之间的比值作为目标函数，分别记为FOM1和FOM2。为了让器件实现中心波长为1550nm和2025nm的波分解复用-复用，目标函数需要满足一定关系。当输入信号波长在1500nm到1600nm时，能量主要从第二输出波导输出，即FOM2应趋近于1；当输入信号波长在1975nm到2075nm时，能量主要从第一输出波导输出，即FOM1应趋近于1。

通过伴随法建立目标函数和波分解复用-复用区域每个单元结构材料属性之间的联系，确定每个单元立方体的材料属性(选择为空气或硫系玻璃材料)，通过介电常数向量P来表示各个单元立方体的介电常数的集合：

ε(P)= (ε(p ₁), ε(p ₂), …,ε(p ₉₀₀₀₀))，ε(p ₁)=1^2（空气）或2.71^2（硫系玻璃）。

具体实施中，将TE0模式作为选定模式，即E _m =E _TE0，H _m =H _TE0。E _TE0和H _TE0分别表示信号输入波导2在TE0模式的电场分布和磁场分布。且选择1500nm≤λ2≤1600nm和1975nm≤λ1≤2075nm，两种波长各自的工作范围，从而建立以下，目标函数条件：

FOM=FOM2，FOM2→1，λ=λ2，1500nm≤λ2≤1600nm

FOM=FOM1，FOM1→1，λ=λ1，1975nm≤λ1≤2075nm

目标函数FOM和波分解复用区域4中各个单元立方体的介电常数关系满足以下公式：

∇_ε(P)FOM=(dFOM/dε(p ₁), ⋯, dFOM/dε(p ₉₀₀₀₀))

其中，∇ _ε(P)表示目标函数关于波分解复用区域4中每个单元格介电常数的变化梯度，ε(p _i)表示单元立方体的介电常数，i表示单元立方体的序号，ε(p ₁)=1^2（空气）或2.71^2（硫系玻璃）。

本实施例中，图5是根据一示例性实施例示出输出-输出波导的截面不同工作波长下的电场分布图，图5的（a）为1550nm下，图5的（b）为2025nm下。在确定输入-输出波导的结构尺寸和材料属性后，对输入-输出波导进行仿真，两个工作波长（1550nm，2025nm）下的波导截面电场分布如图所示。

本实施例中，图6是根据一示例性实施例示出按照方法处理优化获得不同波长下结构电场分布图，图6的（a）为1550nm下，图6的（b）为2025nm下。从结果中看出，当输入的信号波长为1550纳米时，信号从第二输出波导输出；当输入的信号波长为2025纳米时，信号从第一输出波导输出。

本实施例中，图7是根据一示例性实施示出按照方法处理优化获得的不同输出波导的传输谱线。从结果可以看出，当输入的信号波长为1550纳米时，第二输出波导的信号传输率大于90%，第一输出波导的传输率则逼近0%，输入的信号主要从第二输出波导输出，第二和第一输出波导之间输出信号的消光比为30dB；当输入的信号波长为2025纳米时，第一输出波导的信号传输率大于90%，第二输出波导的传输率则逼近0%，输入的信号主要从第一输出波导输出，第一和第二输出波导之间输出信号的消光比为25dB，当输入的信号波长为2200纳米时，第一和第二输出波导之间输出信号的消光比更是达到35dB。当输入的信号波长在1500纳米到1700纳米之间时，信号主要从第二输出波导输出，器件第二和第一输出波导输出信号的消光比均在15dB以上，工作带宽为200纳米；当输入的信号波长在2000纳米到2500纳米之间时，信号主要从第一输出波导输出，第一和第二输出波导输出信号的消光比均在15dB以上，工作带宽为500纳米。从结果中看出，器件实现了一个波分解复用-复用功能。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种小型波分解复用-复用器件，其特征在于，包括：

衬底（1）；

信号输入波导（2），布置在所述衬底（1）上；

信号输出波导（3），布置在所述衬底（1）上，包括第一输出波导（31）和第二输出波导（32），第一输出波导（31）和第二输出波导（32）结构相同且相间隔布置；

波分解复用区域（4），所述波分解复用区域（4）布置在所述衬底上，波分解复用区域（4）被划分单元且通过拓扑优化逆向设计，连接在所述信号输入波导（2）和信号输出波导（3）之间；

所述波分解复用区域（4）在立体空间中被划分成n*n个单元长方体，每个单元立方体具有两种可能的材料状态，分为空气或者硫系玻璃材料；

所述的波分解复用区域（4）通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：

根据不同信号输出波导的选定模式的信号输出功率和信号输入波导的信号输入功率之间的比例建立以下目标函数FOM：

FOM=(|a_out|²N_out)/(|a_in|²N_in)

a_out=0.25·((∫dS×E×H^* _out)/N_out+(∫dS×E^* _out×H)/N^* _out)

N_out=0.5·∫dS×E_out×H^* _out

a_in=0.25·((∫dS×E×H^* _in)/N_in+(∫dS×E^* _in×H)/N^* _in)

N_in=0.5·∫dS×E_in×H^* _in

∇×μ ₀ ^-1∇×E_in-ω ² ε(P)E_in=-iωJ _in

c=λ·ω/(2π)

ε(P)=(ε(p₁),ε(p₂),⋯,ε(p_n×n))

式子中，FOM表示整体器件的目标函数，a _out 是信号输出波导（3）中选定模式的复传输系数；N _out 是信号输出波导（3）中选定模式的信号功率；a _in 是信号输入波导（2）中选定模式的复传输系数，N _in 是信号输入波导（2）中选定模式的信号功率；E为空间中的电场分布，H为空间中的磁场分布，E _out 是信号输出波导（3）在选定模式的电场分布；H _out 是信号输出波导（3）在选定模式的磁场分布；E _in 是信号输入波导（2）在选定模式的电场分布，H _in 是信号输入波导（2）在选定模式的磁场分布；μ ₀ 是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J _in 为信号输入波导的电流密度，i表示虚数单位，∇表示梯度算子，c表示真空光速；ε(P)表示介电常数向量，ε(p ₁ )表示第1个单元立方体的介电常数参数；S表示波导的截面积；

再按照上述目标函数针对第一输出波导（31）和第二输出波导（32）分别建立针对整体器件的不同目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM=FOM2, FOM2→1, λ=λ2

FOM=FOM1, FOM1→1, λ=λ1

其中，FOM1为第一输出波导（31）的目标函数，FOM2为第二输出波导（32）的目标函数，λ1表示器件中的光信号从第一输出波导（31）所输出时对应的波长，λ2表示器件中的光信号从第二输出波导（32）所输出时对应的波长，→1表示趋近于1；

在上述目标函数的目标下进行求解，获得各个单元立方体的介电常数的最优分布，进而按照最优分布进行波分解复用区域（4）的制作；

器件的中心波长为1550nm和2025nm，输入的信号波长为1500～2500纳米；

每种结构排布对应一组目标函数，通过伴随法，建立目标函数和每个单元结构的介电常数之间的关系，求解出满足目标函数关系的每个单元结构的介电常数的变化梯度，确定每个单元结构的介电常数，最终确定波分解复用-复用区域的结构；

目标函数FOM和波分解复用区域（4）中各个单元立方体的介电常数关系满足以下公式：

∇_ε(P)FOM=(dFOM/dε(p ₁), ⋯, dFOM/dε(p ₉₀₀₀₀))

其中，∇ _ε(P)表示目标函数关于波分解复用区域（4）中每个单元格介电常数的变化梯度，ε(p _i)表示单元立方体的介电常数，i表示单元立方体的序号；

所述的小型是指尺寸小于10*10微米。

2.根据权利要求1所述的一种小型波分解复用-复用器件，其特征在于：

两个加载不同信号、波长分别为λ1和λ2的光信号从信号输入波导（2）输入，经过波分解复用区域（4）按照选定模式被分离至第一输出波导（31）和第二输出波导（32）分离地输出。

3.根据权利要求1所述的一种小型波分解复用-复用器件，其特征在于：

所述衬底（1）材质为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的一种小型波分解复用-复用器件，其特征在于：

所述信号输入波导（2）和信号输出波导（3）选用的材质均为硫系玻璃材料。

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