CN114924351A - 一种偏振转换器及设计方法 - Google Patents

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CN114924351A CN202210547112.3A CN202210547112A CN114924351A CN 114924351 A CN114924351 A CN 114924351A CN 202210547112 A CN202210547112 A CN 202210547112A CN 114924351 A CN114924351 A CN 114924351A
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Abstract

本发明提供了一种偏振转换器，包括二氧化硅衬底、顶层硅和空气包层，顶层硅包括依次连接的输入波导、偏振转换区域、模式转换区域和输出波导，偏振转换区域被划分为若干个第一矩形单元，通过直接二进制搜索算法计算每个第一矩形单元的状态，形成一个使得第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，模式转换区域被划分为若干个第二矩形单元，通过直接二进制搜索算法计算每个第二矩形单元的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列；第一打孔阵列和第二打孔阵列共同作用实现偏振光的转化。本发明提供的偏振转换器能实现高效偏振光的转化，对解决现有偏振转换器尺寸大、加工复杂、无法与全刻蚀器件集成的问题具有重要意义。

Description

一种偏振转换器及设计方法
技术领域
本发明属于微纳光电子元器件技术领域，具体是涉及到一种偏振转换器及设计方法。
背景技术
绝缘体上的硅平台由于与成熟的互补金属氧化物半导体技术相互兼容，已成为光子集成电路的热门基板材料。超高的折射率差使得绝缘体上的硅平台可以实现许多低损耗的光学器件。然而，由于结构严重的双折射效应，偏振灵敏度是大多数光学器件面临的主要问题。随着下一代光通信系统对高速、低损耗和大规模通信需求的增加，开发先进的偏振操纵器件变得越来越重要。
此外，现有的偏振转换器往往是浅刻蚀结构，如Weijie Chang等人基于等效非对称波导截面设计的偏振器件，而在常规的光子集成电路中，大多数光学器件都是采用全刻蚀工艺设计，与浅刻蚀器件集成需要增加额外的刻蚀过程，加工复杂；还有部分器件设计在氮化硅包层的绝缘体上硅平台，如Daoxin Dai等人利用绝热锥和非对称定向耦合器相结合，提出了一种超紧凑型偏振旋转器，但是这个器件设计在氮化硅包层的绝缘体上硅平台，需要引入上包层工艺来加工，且有约100μm的长度不适合应用在大规模的光子集成系统。
鉴此，设计一种空气包层、全刻蚀的超紧凑硅基偏振转换器，解决现有偏振转换器尺寸大、加工复杂、无法与全刻蚀器件集成问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供一种能实现高效偏振光的转化，器件尺寸小，能解决现有偏振转换器加工复杂、无法与全刻蚀器件集成问题的偏振转换器及设计方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种偏振转换器，包括二氧化硅衬底、顶层硅和空气包层，所述顶层硅包括依次连接的输入波导、偏振转换区域、模式转换区域和输出波导，
所述偏振转换区域被划分为M×N个第一矩形单元，所述第一矩形单元的状态为打孔或不打孔，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第一矩形单元的状态，形成一个使得第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure BDA0003653030230000011
式中，
Figure BDA0003653030230000012
和
Figure BDA0003653030230000013
分别为，TM0模式由输入波导注入偏振转换区域时，偏振转换区域输出端的TE1模式和TM0模式的透过率，
所述模式转换区域被划分为X×Y个第二矩形单元，所述第二矩形单元的状态为打孔或不打孔，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第二矩形单元的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure BDA0003653030230000021
式中，
Figure BDA0003653030230000022
为，TE1模式由偏振转换区域的输出端注入模式转换区域时，模式转换区域输出端的TE0模式的透过率。
优选的，所述输入波导输入的波长范围为1540nm到1560nm。
优选的，所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述输入波导和输出波导的宽度均为500nm，所述偏振转换区域的长度为7μm，宽度为1μm，所述模式转换区域的长度为3μm，宽度为2μm，所述第一矩形单元和第二矩形单元的尺寸均为100nm×100nm。
本发明还提供一种偏振转换器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，设定偏振转换区域的初始结构，将偏振转换区域划分为M×N个第一矩形单元，通过调整每个所述第一矩形单元状态，形成一个使得预定第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure BDA0003653030230000023
式中，
Figure BDA0003653030230000024
和
Figure BDA0003653030230000025
分别为，TM0模式由输入波导注入偏振转换区域时，偏振转换区域输出端的TE1模式和TM0模式的透过率；
步骤二，设定模式转换区域的初始结构，将模式转换区域被划分为X×Y个第二矩形单元，通过调整每个所述第二矩形单元的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure BDA0003653030230000026
式中，
Figure BDA0003653030230000027
为，TE1模式由偏振转换区域的输出端注入模式转换区域时，模式转换区域输出端的TE0模式的透过率；
步骤三，依次连接的输入波导、优化的偏振转换区域、优化的模式转换区域和输出波导组合成偏振转换器的结构。
优选的，所述步骤一中，使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第一矩形单元对应两种状态的第一输出函数值，然后对比并且保留第一输出函数值得到改善时第一矩形单元的状态；步骤二使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第二个矩形单元对应两种状态的第二输出函数值，然后对比并且保留第二输出函数值得到改善时第二个矩形单元的状态。
优选的，使用直接二进制搜索算法搜索对偏振转换区域进行优化时，随机选择一个第一矩形单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元，所有第一矩形单元遍历一次称为一次迭代，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第一输出函数值，两次第一输出函数值改变值低于0.1％，则第一输出函数收敛，算法停止；第二输出函数收敛的判断依据与第一输出函数相同。
优选的，所述的偏振转换器的设计方法还包括步骤四，整体优化，对偏振转换区域与模式转换区域连接的整体继续使用直接二进制搜索算法搜索进行优化，随机选择一个第一矩形单元或第二矩形单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元和第二矩形单元，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第二输出函数值，两次第二输出函数值改变值低于0.1％，则算法停止。
优选的，所述步骤一中，偏振转换区域的初始结构设置为锥形波导，所述锥形波导的输入端与输入波导连接，输入端的宽度范围为0.5-0.65μm，锥形波导的输出端与模式转换区域连接，输出端的宽度范围为0.65-1μm。
优选的，所述锥形波导输入端的宽度为0.5μm，锥形波导输出端的宽度为0.8μm。
本发明的有益效果是，偏振转换器的工作原理是TM0模式注入输入波导，经过偏振转换区域被转换成TE1模式，TE1模式经过模式转换区域被转化成TE0模式，从输出波导输出；反之，TE0模式注入输出波导，经过模式转换区域被转换成TE1模式，TE1模式经过偏振转换区域被转化成TM0模式，从输入波导输出；本发明器件偏振转换器能实现高效偏振光的转化，对解决现有偏振转换器尺寸大、加工复杂、无法与全刻蚀器件集成的问题具有重要意义。
附图说明
图1是本发明器件的主体结构示意图。
图2是本征模式的有效折射率分布。
图3是本发明器件的偏振转换区域初始结构示意图。
图4是本发明器件的偏振转换区域算法优化结构示意图。
图5是本发明器件的偏振转换区域的透射光谱。
图6是本发明器件的模式转换区域初始结构示意图。
图7是本发明器件的模式转换区域算法优化结构示意图。
图8是本发明器件的模式转换区域的透射光谱。
图9是直接连接偏振转换区域和模式转换区域而形成的偏振转换器结构示意图。
图10是本发明器件的透射光谱。
在图中，1、输入波导；2、偏振转换区域；21、第一矩形单元；22、锥形波导；3、模式转换区域；31、第二矩形单元；4、输出波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
实施例一
请一并参阅图1-10，本实施例提供的偏振转换器，包括衬底、顶层硅和包层，衬底材料为二氧化硅，包层材料为空气，所述顶层硅包括依次连接的输入波导1、偏振转换区域2、模式转换区域3和输出波导4，
所述偏振转换区域2被划分为M×N个第一矩形单元21，所述第一矩形单元21的状态为打孔或不打孔，打孔即第一矩形单元21填充为空气材料，不打孔即第一矩形单元21填充为硅材料，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第一矩形单元21的状态，形成一个使得第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure BDA0003653030230000041
式中，
Figure BDA0003653030230000042
和
Figure BDA0003653030230000043
分别为在波段为1540nm到1560nm，TM0模式由输入波导1注入偏振转换区域2时，偏振转换区域2输出端的TE1模式和TM0模式的透过率。
所述模式转换区域3被划分为X×Y个第二矩形单元31，所述第二矩形单元31的状态为打孔或不打孔，打孔即第二矩形单元31填充为空气材料，不打孔即第二矩形单元31填充为硅材料，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第二矩形单元31的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure BDA0003653030230000044
式中，
Figure BDA0003653030230000045
为在波段为1540nm到1560nm，TE1模式由偏振转换区域2的输出端注入模式转换区域3时，模式转换区域3输出端的TE0模式的透过率。
所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述输入波导1和输出波导4的宽度均为500nm，所述偏振转换区域2的长度为7μm，宽度为1μm，所述模式转换区域3的长度为3μm，宽度为2μm，所述第一矩形单元21和第二矩形单元31的尺寸均为100nm×100nm。
偏振转换器的工作原理是TM0模式注入输入波导1，经过偏振转换区域2被转换成TE1模式，TE1模式经过模式转换区域3被转化成TE0模式，从输出波导4输出；反之，亦可将TE0模式注入输出波导4，经过模式转换区域3被转换成TE1模式，TE1模式经过偏振转换区域2被转化成TM0模式，从输入波导1输出。本发明提供的偏振转换器能在1540nm到1560nm波长范围内，由第一打孔阵列和第二打孔阵列共同作用实现TM0和TE0偏振模式的高效转化，且器件尺寸小；由于本发明的偏振转换器顶层硅厚度为220nm，空气孔深度也是220nm，是全刻蚀器件，而目前很多偏振转换器是浅刻蚀器件，即刻蚀孔深度小于220nm，和全刻蚀器件集成时会增加额外的刻蚀过程，工艺更复杂，因此，本发明的偏振转化器能解决现有偏振转换器加工复杂、无法与全刻蚀器件集成的问题。
本发明还提供一种偏振转换器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，设定偏振转换区域的初始结构，将偏振转换区域2划分为M×N个第一矩形单元21，通过调整每个所述第一矩形单元21状态，形成一个使得预定第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure BDA0003653030230000051
式中，
Figure BDA0003653030230000052
和
Figure BDA0003653030230000053
分别为，TM0模式由输入波导1注入偏振转换区域2时，偏振转换区域2输出端的TE1模式和TM0模式的透过率；
步骤二，设定模式转换区域的初始结构，所述模式转换区域3被划分为X×Y个第二矩形单元31，通过调整每个所述第二矩形单元31的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure BDA0003653030230000054
式中，
Figure BDA0003653030230000055
为，TE1模式由偏振转换区域2的输出端注入模式转换区域3时，模式转换区域3输出端的TE0模式的透过率；
步骤三，依次连接的输入波导1、优化的偏振转换区域2、优化的模式转换区域3和输出波导4组合成偏振转换器的结构。
本发明通过偏振转换区域2将输入波导1的TM0模式转换为TE1模式，然后通过模式转换区域3将TE1模式转换为TE0模式，从而完成从TM0模式TE0模式的偏振转化在输出波导4输出。因此完成本发明器件分两步设计，分别是设计偏振转换区域2和设计模式转换区域3。
更具体的，所述步骤一中，使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第一矩形单元21对应两种状态的第一输出函数值，然后对比并且保留第一输出函数值得到改善时第一矩形单元21的状态；步骤二使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第二个矩形单元31对应两种状态的第二输出函数值，然后对比并且保留第二输出函数值得到改善时第二个矩形单元31的状态。
更具体的，使用直接二进制搜索算法搜索对偏振转换区域2进行优化时，随机选择一个第一矩形单元21开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元21，所有第一矩形单元21遍历一次称为一次迭代，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第一输出函数值，两次第一输出函数值改变值低于0.1％，则第一输出函数收敛，算法停止；第二输出函数收敛的判断依据与第一输出函数相同。
由于直接二进制搜索算法是一种搜索式算法，容易过早的局部收敛，从而导致优化结果不理想。为了克服此问题，在设计偏振转换区域2时，可以依据模式杂化理论设计初始结构。如图2所示为空气包层的硅波导本征模式的有效折射率分布，当上包层是空气而不是和衬底相同的二氧化硅时，由于上包层的折射率不等于衬底的折射率，导致硅波导的垂直不对称，从而使模式不是纯极化，模式特性变得更加复杂和混合。如果设定波导宽度在特定范围内，由于模式杂化，某些本征模的偏振不能清楚区分，那么利用这种模式杂化原理，可以用图3所示的绝热锥形波导实现偏振转换。为了实现TM0模式转换为TE1模式转换，需要设定锥形波导22两端的宽度在特殊的范围，在图2可以看出TM0和TE1模式之间的转换发生在波导宽度约0.65μm附近。因此，锥形波导22输入端的宽度W1小于0.65μm，输出端的宽度W2范围为大于0.65μm。此外，输入端宽度W1和输出端宽度W2还需要分别有效地支持TM0模式和TE1模式的传播。综上，锥形波导22输入端宽度W1为0.5μm，输出端宽度W2为0.8μm。
需要注意的是，偏振转换区域2的宽度W4不小于锥形波导22输出端宽度W2即可，即偏振转换区域2的宽度W4最小值可以为0.8μm，这里考虑器件的紧凑性以及计算时间成本，确定宽度W4为1μm。锥形波导长度W3越大，模式转换的效率越高，但是同样考虑计算时间成本，确定长度W3为7μm，然后用直接二进制搜索算法进一步提升性能。
依据模式杂化理论设计初始的锥形波导结构后，把长度W3为7μm和宽度W4为1μm的偏振转换区域2划为M×N个矩形单元，为了使M和N为整数，以及考虑加工可行性，偏振转换区域2划为70×10个第一矩形单元21，每个第一矩形单元21的尺寸为100nm×100nm，深度为220nm。直接二进制搜索算法对70×10个矩形单元进行优化。
首先，算法选择第一行第一列的第一矩形单元，用时域有限差分法(Finitedifference time domain method,FDTD)分别计算其打孔和不打孔的两种状态的性能。性能的判定由设置在算法内部的目标函数决定，称之为品质因子，定义为：
Figure BDA0003653030230000061
式中，
Figure BDA0003653030230000062
和
Figure BDA0003653030230000063
分别为在波段为1540nm到1560nm，TM0模式注入锥形波导输入端时，输出端TE1和TM0模式的透过率。
然后按一定方向搜索到最后一个第一矩形单元，这称为一次迭代，经过多次迭代，直到两次迭代后的品质因子值变化在0.1％内，算法收敛，器件性能稳定。在本实施例中，在使用直接二进制搜索算法计算第一矩形单元时，交替使用按行计算和按列计算的方式计算所有的第一矩形单元，按行计算是指在水平方向依次从左到右，垂直方向由上往下；按列计算是指垂直方向由上往下，水平方向由左往右。
图4为使用直接二进制搜索算法优化后偏振转换区域2的结构示意图，图5为偏振转换区域2的透射光普，插入损耗(Insertion loss,IL)和消光比(Extinction ratio,ER)定义为：
IL＝-10×log(Ti)
Figure BDA0003653030230000071
式中，Ti和ti分别目标模式和正交偏振的非目标模式在i波长的透过率。对偏振转换区域2来说，Ti和ti分别表示TE1模式和TM0模式在1540nm到1560nm带宽范围的透过率。因此依据模式杂化理论设计初始的锥形波导结构插入损耗低于3.7dB，消光比大于-0.9dB，而算法优化后的插入损耗低于0.7dB，消光比大于21.6dB。可以看出在器件具有较小尺寸情况下，智能算法可以极大地提升器件的性能。
同样使用直接二进制搜索算法设计模式转换区域3将TE1模式转化为TE0模式。模式转换区域3与偏振转换区域2连接，因此模式转换区域3的输入端宽度W5与偏振转换区域2的输出端宽度W2相等为0.8μm，模式转换区域3的输出端宽度即为输出波导4的宽度0.5μm。模式转换区域的初始结构如图6所示，把长度W6为3μm和宽度W7为2μm的模式转换区域3划为X×Y个矩形单元，为了使X和Y为整数，以及考虑加工可行性，模式转换区域3划为30×20个第二矩形单元31，每个第二矩形单元31的大小为100nm×100nm，深度为220nm。直接二进制搜索算法对第二矩形单元进行优化。性能的判定由设置在算法内部的目标函数决定，定义为：
Figure BDA0003653030230000072
式中，
Figure BDA0003653030230000073
为在波段为1540nm到1560nm，TE1模式注入模式转换区域3输入端时，输出端TE0模式的透过率。经过算法优化得到如图7的模式转换区域3结构示意图，如图8所示的透射光普可以看出插入损耗低于0.8dB。
完成偏振转换区域2和设计模式转换区域3的设计后，可以将其组成本发明器件偏振转换器。值得注意的是，将偏振转换区域2和设计模式转换区域3的算法优化部分直接连接在一起，如图9所示，这样设计的优点是可以减小用波导连接二者所占用的空间，因此本发明器件的总有效长度仅有10μm，这样设计的缺点是二者连接区域的微纳矩形单元直接接触可能会相互影响，进而干扰整体结构的性能。如图10所示的偏振转换器的透射光谱可以看出，其插入损耗低于1.9dB，消光比大于12.9dB。
在使用直接二进制搜索算法优化之前，偏振转换区域2和模式转换区域3均被分成若干个矩形单元，每个矩形单元有两种材料状态，分别为打孔和不打孔，打孔即矩形单元填充为空气材料，不打孔即矩形单元填充为硅材料。每个矩形单元状态由算法为满足目标函数而确定的，具体为：在直接二进制搜索算法中设置反映器件性能的目标函数，然后使用算法依次计算每一个矩形单元的两种状态的目标函数值，然后对比并且保留目标函数值得到改善时候的材料状态。在使用直接二进制搜索算法搜索矩形单元时，首先随机选择一个起始矩形单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的单元，所有单元遍历一次称为一次迭代，经过多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止。相对于传统方法，使用智能算法可以在高自由度下较少地依赖物理模型进行优化，更有利于设计小尺寸、复杂结构的器件。
实施例二
本实施例与实施例一提供的技术方案基本相同，不同之处在于：还包括步骤四，整体优化，为了保留实施例一的优点减小整体结构的尺寸，又想克服缺点使整体性能不受影响，实施例一的整体结构继续使用直接二进制搜索算法进行二次优化，随机选择一个第一矩形单元21或第二矩形单元31作为起始单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元21和第二矩形单元31，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第二输出函数值，两次第二输出函数值改变值低于0.1％，则算法停止；经过二次优化后，偏振转换器结构如图1所示，从图10中可以看出，经过二次优化后，其插入损耗低于1dB，消光比大于20dB，其性能得到改善。
以上实施例仅用于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 (9)

1.一种偏振转换器，其特征在于：包括二氧化硅衬底、顶层硅和空气包层，所述顶层硅包括依次连接的输入波导、偏振转换区域、模式转换区域和输出波导，
所述偏振转换区域被划分为M×N个第一矩形单元，所述第一矩形单元的状态为打孔或不打孔，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第一矩形单元的状态，形成一个使得第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure FDA0003653030220000011
式中，
Figure FDA0003653030220000012
和
Figure FDA0003653030220000013
分别为，TM0模式由输入波导注入偏振转换区域时，偏振转换区域输出端的TE1模式和TM0模式的透过率，
所述模式转换区域被划分为X×Y个第二矩形单元，所述第二矩形单元的状态为打孔或不打孔，打孔深度与顶层硅的厚度相同，通过直接二进制搜索算法计算每个所述第二矩形单元的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure FDA0003653030220000014
式中，
Figure FDA0003653030220000015
为，TE1模式由偏振转换区域的输出端注入模式转换区域时，模式转换区域输出端的TE0模式的透过率。
2.如权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于：所述输入波导输入的波长范围为1540nm到1560nm。
3.如权利要求1所述的偏振转换器，其特征在于：所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述输入波导和输出波导的宽度均为500nm，所述偏振转换区域的长度为7μm，宽度为1μm，所述模式转换区域的长度为3μm，宽度为2μm，所述第一矩形单元和第二矩形单元的尺寸均为100nm×100nm。
4.一种如权利要求1所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设定偏振转换区域的初始结构，将其划分为M×N个第一矩形单元，通过调整每个所述第一矩形单元状态，形成一个使得预定第一输出函数达到最大值的第一打孔阵列，所述第一输出函数为：
Figure FDA0003653030220000016
式中，
Figure FDA0003653030220000017
和
Figure FDA0003653030220000018
分别为，TM0模式由输入波导注入偏振转换区域时，偏振转换区域输出端的TE1模式和TM0模式的透过率；
步骤二，设定模式转换区域的初始结构，将模式转换区域划分为X×Y个第二矩形单元，通过调整每个所述第二矩形单元的状态，形成一个使得预定第二输出函数达到最大值的第二打孔阵列，所述第二输出函数为：
Figure FDA0003653030220000021
式中，
Figure FDA0003653030220000022
为，TE1模式由偏振转换区域的输出端注入模式转换区域时，模式转换区域输出端的TE0模式的透过率；
步骤三，依次连接的输入波导、优化的偏振转换区域、优化的模式转换区域和输出波导组合成偏振转换器的结构。
5.如权利要求4所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第一矩形单元对应两种状态的第一输出函数值，然后对比并且保留第一输出函数值得到改善时第一矩形单元的状态；步骤二使用直接二进制搜索算法依次计算每一个第二个矩形单元对应两种状态的第二输出函数值，然后对比并且保留第二输出函数值得到改善时第二个矩形单元的状态。
6.如权利要求4所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于：使用直接二进制搜索算法搜索对偏振转换区域进行优化时，随机选择一个第一矩形单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元，所有第一矩形单元遍历一次称为一次迭代，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第一输出函数值，两次第一输出函数值改变值低于0.1％，则第一输出函数收敛，算法停止；第二输出函数收敛的判断依据与第一输出函数相同。
7.如权利要求4所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于：还包括步骤四，整体优化，对偏振转换区域与模式转换区域连接的整体继续使用直接二进制搜索算法搜索进行优化，随机选择一个第一矩形单元或第二矩形单元开始计算，按一定搜索方向计算所有的第一矩形单元和第二矩形单元，经过多次迭代，对比上一次迭代后的第二输出函数值，两次第二输出函数值改变值低于0.1％，则算法停止。
8.如权利要求4所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，偏振转换区域的初始结构设置为锥形波导，所述锥形波导的输入端与输入波导连接，输入端的宽度范围为0.5-0.65μm，锥形波导的输出端与模式转换区域连接，输出端的宽度范围为0.65-1μm。
9.如权利要求8所述的偏振转换器的设计方法，其特征在于：所述锥形波导输入端的宽度为0.5μm，输出端的宽度为0.8μm。
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