CN114280775B - 一种小型宽带偏振滤光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型宽带偏振滤光器件。包括衬底、信号输入波导，信号输出波导和偏振滤光区域；信号输入波导，信号输出波导和偏振滤光区域均布置在衬底上；偏振滤光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；当TE0模式的信号经信号输入波导输入，可以低损地通过偏振滤光区域，实现高效率传输。当TM0模式的信号经信号输入波导输入，则无法通过偏振滤光区域，从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带的高效过滤。以解决传统片上偏振滤光器件中存在的占位面积大、性能不稳定、带宽窄的问题。

Description

一种小型宽带偏振滤光器件

技术领域

本发明属于光通讯技术领域的一种宽带偏振滤光器件，尤其涉及一种小型基于拓扑优化逆向设计的硫系宽带偏振滤光器件。

背景技术

随着信息时代的到来，世界各地数据流量急剧增长，这对通信技术提出了新的挑战。不同的通信技术被相继提出，如空分复用技术、波分复用技术、时分复用技术等，极大地提升了光通信系统的容量。然而最近一段时间的科学研究证实了传统单模光纤通信系统的传输容量已经愈来愈接近于其非线性香农极限，因此为了增加通信系统容量，满足人们对业务带宽的需要，利用波导中不同波导模式之间彼此正交，模分复用技术被提出。模分复用器件能够通过在通信系统中复用不同的模式，利用每个波长下波导或光纤中不同的导模来传输不同的信号，可以使光通信系统的容量提升数倍，但是模分复用离不开对于模式的过滤。传统的偏振滤光方法主要有自由空间体积光学元件，多模干涉设备、光纤平台等来实现，这些器件都需要的严格的加工和排布，结构的鲁棒性不够，同时会引入很大的插入损耗，面临着尺寸太大、工作带宽小、器件功能缺乏灵活性等缺点。

最关键的是，上述的所有的设计都是基于硅基光子器件，工作波段都是在近红外波段，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，关于片上偏振滤光器件的设计更是一片空白。

总之，设计和制作高消光比、大工作带宽的高性能光波导偏振滤光器件成为了当下的挑战，也注定能在光通讯技术邻域发挥巨大的作用。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种小型宽带偏振滤光器件，以解决中心波长2025nm的信号的光波导偏振滤光，实现从对输入信号中的TE0模式信号和TM0模式信号的过滤，填补了硫系偏振滤光器件设计的空白，克服现有技术的缺陷。

本发明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；

偏振滤光区域，所述偏振滤光区域固定在所述衬底上，偏振滤光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；当TE0模式的信号从信号输入波导输入，通过偏振滤光区域从信号输出波导输出实现传输；当TM0模式的信号从信号输入波导输入，则无法通过偏振滤光区域；从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带过滤。

本发明所述的“小型”是指尺寸小于10*10微米。

本发明所述的“宽带”是指工作带宽大于等于100纳米。

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。

所述偏振滤光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。

所述的偏振滤光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：

根据信号输出波导的不同模式下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的关系建立以下目标函数：

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_te0}、a_{in_te0}、a_{out_tm0}、a_{in_tm0}，N_m＝N_{out_te0}、N_{in_te0}、N_{out_tm0}、N_{in_tm0}；a_{out_te0}是信号输出波导中TE0模式信号的复传输系数；a_{out_tm0}是信号输出波导中TM0模式信号的复传输系数；N_{out_te0}是信号输出波导中TE0模式的信号功率；N_{out_tm0}是信号输出波导中TM0模式的信号功率；a_{in_te0}是信号输入波导中TE0模式的复传输系数；a_{in_tm0}是信号输入波导中TM0模式的复传输系数；N_{in_te0}是信号输入波导中TE0模式的信号功率；N_{in_tm0}是信号输入波导中TM0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_m＝E_{out_te0}、E_{out_tm0}、E_{in_te0}、E_{in_tm0}，H_m＝H_{out_te0}、H_{out_tm0}、H_{in_te0}、H_{in_tm0}，E_m、H_m与a_m，N_m一一对应，E_{out_te0}为信号输出波导在TE0模式的电场分布，E_{out_tm0}为信号输出波导在TM0模式的电场分布，E_{in_te0}为信号输入波导在TE0模式的电场分布，E_{in_tm0}为信号输入波导在TM0模式的电场分布；H_{out_te0}为信号输出波导在TE0模式的磁场分布，H_{out_tm0}为信号输出波导在TM0模式的磁场分布；H_{in_te0}为信号输入波导在TE0模式的磁场分布，H_{in_tm0}为信号输入波导在TM0模式的磁场分布；μ₀是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J为空间电流密度，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(p₁)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。

按照上述目标函数建立针对整体器件的偏振滤光的目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM→1

其中，→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偏振滤光区域的制作。

本发明的设计为片上光通讯系统的重要组成部分之一。由于传统的偏振滤光器件主要有自由空间体积光学元件，多模干涉设备、光纤平台等，这些器件都需要的严格的加工和排布，同时会引入很大的插入损耗，同时会引入很大的插入损耗，面临着尺寸太大、工作带宽小、器件功能缺乏灵活性等缺点，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2025nm的中红外波段，关于偏振滤光器件的设计更是一片空白。因此如何实现器件小型化，提高工作性能，实现高消光比、低插入损耗、大工作带宽的硫系偏振滤光器件设计非常重要，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。将输出波导的不同模式下的信号输出功率和器件输入波导的信号输入功率比例的关系建立以下目标函数，记为FOM。为了让器件实现中心波长为2025纳米的宽带的偏振滤光，目标函数需要满足一定关系。当TM0模式的信号经信号输入波导输入，则无法通过偏振滤光区域，从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带的高效过滤，FOM需趋近于1。

将偏振滤光区域在空间上划分成250*250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，形成了偏振滤光区域的结构形状，一共有2⁶²⁵⁰⁰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，最终确定偏振滤光区域的结构。

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宽带偏振滤光器件进行设计，实现中心波长为2025纳米，工作带宽100纳米的偏振滤光，实现了宽带偏振滤光，克服了偏振滤光器件结构尺寸大，不易于集成，工作带宽窄的问题，填补了硫系偏振滤光器件设计的空白。

本发明包括基于硫系介质的光子器件实现中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，使其实现了宽带的偏振滤光功能，解决了传统片上偏振滤光器件中存在的占位面积大、性能不稳定、工作带宽窄的问题。

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宽带偏振滤光器件的结构示意图。

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例示出的一种小型宽带偏振滤光器件的偏振滤光区域示意图。

图4是根据一示例性实施例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示出的的输入-输出波导的截面不同波导模式的电场分布图。

图6是根据一示例性实施示出的在工作波长2025nm下的不同输入模式下结构的电场分布图。

图7是根据一示例性实施示出在工作波长2025nm下的不同输入模式的传输率。

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；

具体实施中，信号输出波导3与信号输入波导2位于同一轴线上。

偏振滤光区域4，偏振滤光区域4固定在衬底1上，偏振滤光区域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；当TE0模式的信号从信号输入波导2输入，低损地通过偏振滤光区域4从信号输出波导3输出实现高效率传输；当TM0模式的信号从信号输入波导2输入，则无法通过偏振滤光区域4；从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带高效过滤。

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。

偏振滤光区域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，偏振滤光区域4的宽度W₀为5微米，长度L₀为5微米，厚度H₀为500纳米。偏振滤光区域4被划分成250*250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。

偏振滤光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。

偏振滤光区域4通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：

根据信号输出波导的不同模式下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的关系建立以下目标函数，通过目标函数来优化器件的性能：

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_te0}|²N_{out_te0}表示的是信号输出波导3中TE0模式信号的前向发射功率，|a_{out_tm0}|²N_{out_tm0}表示的是信号输出波导3中TM0模式信号的前向发射功率，|a_{in_te0}|²N_{in_te0}表示的是信号输入波导2中TE0模式信号的前向发射功率，|a_{in_tm0}|²N_{in_tm0}表示的是信号输入波导2中TM0模式信号的前向发射功率；a_m＝a_{out_te0}、a_{in_te0}、a_{out_tm0}、a_{in_tm0}，N_m＝N_{out_te0}、N_{in_te0}、N_{out_tm0}、N_{in_tm0}；a_{out_te0}是信号输出波导3中TE0模式信号的复传输系数；a_{out_tm0}是信号输出波导3中TM0模式信号的复传输系数；N_{out_te0}是信号输出波导3中TE0模式的信号功率；N_{out_tm0}是信号输出波导3中TM0模式的信号功率；a_{in_te0}是信号输入波导2中TE0模式的复传输系数；a_{in_tm0}是信号输入波导2中TM0模式的复传输系数；N_{in_te0}是信号输入波导2中TE0模式的信号功率；N_{in_tm0}是信号输入波导2中TM0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_m＝E_{out_te0}、E_{out_tm0}、E_{in_te0}、E_{in_tm0}，H_m＝H_{out_te0}、H_{out_tm0}、H_{in_te0}、H_{in_tm0}，与a_m，N_m一一对应，E_{out_te0}为信号输出波导3在TE0模式的电场分布，E_{out_tm0}为信号输出波导3在TM0模式的电场分布，E_{in_te0}为信号输入波导2在TE0模式的电场分布，E_{in_tm0}为信号输入波导2在TM0模式的电场分布；H_{out_te0}为信号输出波导3在TE0模式的磁场分布，H_{out_tm0}为信号输出波导3在TM0模式的磁场分布；H_{in_te0}为信号输入波导2在TE0模式的磁场分布，H_{in_tm0}为信号输入波导2在TM0模式的磁场分布；μ₀是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J为空间电流密度，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(p₁)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。

按照上述目标函数建立针对整体器件的偏振滤光的目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM→1

其中，→1表示趋近于1，或者等于1；

即当TE0模式的信号经信号输入波导2输入，通过偏振滤光区域4从信号输出波导3接近无损地输出，实现高效率传输。当TM0模式的信号经信号输入波导2输入，则无法通过偏振滤光区域4，从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带的高效过滤。

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偏振滤光区域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例示出的一种小型宽带模式转换器件的偏振滤光区域示意图，将偏振滤光区域在空间上划分成250*250＝62500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，形成了偏振滤光区域的结构形状，一共有2⁶²⁵⁰⁰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。将输出波导的不同模式下的信号输出功率和器件输入波导的信号输入功率比例的关系建立以下目标函数，记为FOM。为了让器件实现中心波长为2025纳米的宽带的偏振滤光，目标函数需要满足一定关系。当TM0模式的信号经信号输入波导输入，则无法通过偏振滤光区域，从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带的高效过滤，FOM需趋近于1。

通过伴随法建立目标函数和偏振滤光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(p₁)，ε(p₂)，…，ε(p₆₂₅₀₀))，ε(p_i)＝1^2(空气)或2.71^2(硫系)。

具体实施中，将TE1模式作为信号输出波导(3)的目标模式，TE0模式作为信号输入波导2的目标模式。

建立以下，目标函数条件：

FOM→1

目标函数FOM和偏振滤光区域4中各个单元立方体的介电常数关系满足以下公式：

其中，表示目标函数关于偏振滤光区域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，p_i＝1^2(空气)或2.71^2(硫系)。

本实施例中，图5是根据一示例性实施示出的输出/输出波导的截面在2025nm的工作波长下的不同模式的电场分布图。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，在工作波长(2025nm)下的波导截面TE0、TM0的模式电场分布如图所示。

本实施例中，图6是根据一示例性实施例示出在2025nm的工作波长下不同输入的波导模式下结构的电场分布图。从结果中看出，当TE0模式的信号经输入波导输入，信号可以低损地通过偏振滤光区域，实现高效率传输。当TM0模式的信号经输入波导输入，则无法通过偏振滤光区域，从而实现对TE0模式和TM0模式的高效过滤。

本实施例中，图7是根据一示例性实施示出在工作波长2025nm下的不同输入模式(TE0，TM0)的传输率。从结果可以看出，当TE0模式的信号经输入波导输入，信号的传输率高达93％，而当TM0模式的信号经输入波导输入，信号的传输率低于0.05％，同时在100纳米的工作波段内，两种模式均保持一种高消光比。从结果中看出，器件实现了一个高消光比、低插入损耗、大工作带宽偏振滤光功能。

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 (3)

1.一种小型宽带偏振滤光器件，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；

偏振滤光区域(4)，所述偏振滤光区域(4)固定在所述衬底(1)上，偏振滤光区域(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；当TE0模式的信号从信号输入波导(2)输入，通过偏振滤光区域(4)从信号输出波导(3)输出实现传输；当TM0模式的信号从信号输入波导(2)输入，则无法通过偏振滤光区域(4)；从而实现对TE0模式和TM0模式不同偏振模式的宽带过滤；

所述偏振滤光区域(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；

所述的偏振滤光区域(4)通过拓扑优化逆向设计，具体是采用以下方式优化确定：

根据信号输出波导的不同模式下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的关系建立以下目标函数：

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_te0}、a_{in_te0}、a_{out_tm0}、α_{in_tm0}，N_m＝N_{out_te0}、N_{in_te0}、N_{out_tm0}、N_{in_tm0}；a_{out_te0}是信号输出波导(3)中TE0模式信号的复传输系数；a_{out_tm0}是信号输出波导(3)中TM0模式信号的复传输系数；N_{out_te0}是信号输出波导(3)中TE0模式的信号功率；N_{out_tm0}是信号输出波导(3)中TM0模式的信号功率；a_{in_te0}是信号输入波导(2)中TE0模式的复传输系数；a_{in_tm0}是信号输入波导(2)中TM0模式的复传输系数；N_{in_te0}是信号输入波导(2)中TE0模式的信号功率；N_{in_tm0}是信号输入波导(2)中TM0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_m＝E_{out_te0}、E_{out_tm0}、E_{in_te0}、E_{in_tm0}，H_m＝H_{out_te0}、H_{out_tm0}、H_{in_te0}、H_{in_tm0}，E_{out_te0}为信号输出波导(3)在TE0模式的电场分布，E_{out_tm0}为信号输出波导(3)在TM0模式的电场分布，E_{in_te0}为信号输入波导(2)在TE0模式的电场分布，E_{in_tm0}为信号输入波导(2)在TM0模式的电场分布；H_{out_te0}为信号输出波导(3)在TE0模式的磁场分布，H_{out_tm0}为信号输出波导(3)在TM0模式的磁场分布；H_{in_te0}为信号输入波导(2)在TE0模式的磁场分布，H_{in_tm0}为信号输入波导(2)在TM0模式的磁场分布；μ₀是自由空间中的磁导率，ω为波长λ对应的角频率，J为空间电流密度，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(p₁)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；

按照上述目标函数建立针对整体器件的偏振滤光的目标和关系，表示为满足以下关系：

FOM→1

其中，→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偏振滤光区域(4)的制作；

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，最终确定偏振滤光区域的结构。

2.根据权利要求1所述的一种小型宽带偏振滤光器件，其特征在于，所述衬底(1)材质为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种小型宽带偏振滤光器件，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。