CN114924408B - 一种超宽带的光功率分束器的设计方法及设计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超宽带的光功率分束器的设计方法及设计系统，该设计方法包括如下步骤：确定待设计片上光子器件的功能、设计目标以及外观轮廓的待设计区域；将待设计区域分为波导区域与浅刻蚀区域，将两个区域的轮廓离散成若干个点坐标，其中，所述浅刻蚀区域的刻蚀深度比波导区域的刻蚀深度浅；使用优化搜索算法对波导区域与浅刻蚀区域的轮廓点坐标进行优化搜索；对粒子适应度进行迭代搜索，实时记录最优的粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化；满足收敛条件后，迭代停止。采用本发明的技术方案，通过引入浅刻蚀区域，同时优化波导轮廓和浅刻蚀轮廓，可以有效提高器件带宽；而且得到的器件具有小尺寸的特点，并可保证器件的可制备性。
Description
技术领域
本发明涉及片上光子器件技术领域，尤其涉及一种超宽带的光功率分束器的设计方法及设计系统。
背景技术
波分复用技术成为光传输网络的重要技术。为了满足指数型的信息容量增长，将光通信波长扩展到2μm可以显著增加数据容量，是一个具有潜力的技术方案。然而，对于能够实现密集集成的光波导平台（如绝缘体上硅（SOI）平台）通常具有较大的色散，使得器件很难实现较宽的带宽。为了实现的超宽带片上光链路的密集集成，迫切的需要开发能够同时在多个光谱波段运行的光子器件。
超宽带的光功率分束器作为其中的关键模块已经受到了广泛关注。目前片上光功率分束器的方案主要包括：（1）多模干涉（MMI）型光功率分束器；（2）Y分支型光功率分束器；（3）基于定向耦合器的光功率分束器。但由于波导平台的色散，这些技术方案工作带宽一般较小。目前关于增加片上光功率分束器工作带宽的方案主要包括：（1）基于Y分支型绝热锥结构；（2）基于多模干涉（MMI）型的类光子晶体结构；（3）亚波长光栅波导（SWG）结构。Y分支型绝热锥型光分束器尺寸往往较大，不利于集成；类光子晶体结构和亚波长光栅波导结构往往具有较小的特征尺寸，难以制备。
因此，目前尚未出现能同时实现小尺寸、制作简单、超宽带的片上光功率分束器。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种超宽带的光功率分束器的设计方法及设计系统，能够同时实现小尺寸、制作简单、超宽带的片上光功率分束器。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种超宽带的光功率分束器的设计方法，其包括如下步骤：
步骤S1，确定待设计片上光子器件的功能、设计目标以及外观轮廓的待设计区域；
步骤S2，将待设计区域分为波导区域与浅刻蚀区域，将两个区域的轮廓离散成若干个点坐标，其中，所述浅刻蚀区域的刻蚀深度比波导区域的刻蚀深度浅；
步骤S3，使用优化搜索算法对波导区域与浅刻蚀区域的轮廓点坐标进行优化搜索；
步骤S4，对步骤S3的粒子适应度进行迭代搜索，实时记录最优的粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化；满足收敛条件后，迭代停止。
采用此技术方案，首先引入浅刻蚀区域实现对器件的光场进行调控，其次通过将待设计区域进行有效分区，并对不同刻蚀深度区域的轮廓进行优化，得到具有超低损耗和超宽带的光功率分束器，该方法可以在任意变化外观曲线的基础上，通过快速收敛的组合算法来实现片上光子器件的外观轮廓优化。
作为本发明的进一步改进，所述浅刻蚀区域可以为一个或两个以上。
作为本发明的进一步改进，浅刻蚀区域可在待设计区域内部形成槽型，也可在待设计区域外侧形成扩展。波导区域和若干个浅刻蚀区域由离散的点共同确定，通过优化点的坐标位置，得到最优图样。
作为本发明的进一步改进，所述超宽带的光功率分束器包括一端口输入、两端口输出和波导。进一步的，其输出端口可与输入端口平行，也可以呈一定角度。若设计光功率分束器比例为50：50，为保证器件性能，输出端口一般沿轴对称，若需要设计其他分光比，输出端口可以不对称。
另外，待设计区域的宽度最小处大于输入输出波导的宽度，以保证光透射率。待设计区域的宽度最大值大于输出波导的总宽度。
为了提高全局搜索的效率，缩小器件尺寸，一般可认为不大于一个波长。优化区域长度的选择可以通过选择不同长度，迭代优化，进行器件尺寸和器件性能的权衡。
不同波长的光在不同厚度的光波导中具有差距较大的光场分布，可以对光波长不同带来的光场分布变化进行补偿。刻蚀深度需选择适当，选择过浅会失去光场调控效果，选择过深会使得光场产生较大的反射，影响器件性能。对于220nm的顶层硅，60 nm – 80 nm的刻蚀深度有比较好的光场调控效果。刻蚀深度大于180 nm的光场会有比较大的反射。其中浅刻蚀区域任意划分。
作为本发明的进一步改进，所述波导的宽度大于工作波长的数倍，在预计工作波长范围内支持基模的同时宽度尽量小，以免激发出其余高阶模式。所述三个波导宽度相等，波导宽度选择大于工作波长的数倍，在预计工作波长范围内支持基模的同时宽度尽量小，以免激发出其余高阶模式。
作为本发明的进一步改进，该设计方法还包括：
步骤S5，器件性能进行仿真计算，验证器件最终性能。进一步的，在比工作波长更宽的波长范围内对器件性能进行仿真计算，以验证优化的器件的真实性能，是否拥有比期待的更好的性能（带宽）。
作为本发明的进一步改进，所述优化搜索算法可以是粒子群算法，遗传算法等任意以全局最优解为目标的搜索算法。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，分别通过波导区域、浅刻蚀区域的轮廓上的至少两个点与输入/输出波导上的固定点用直线连接确定，或采用插值法确定对应区域的轮廓。也就是离散的待优化点可以用直线连接，也可以采用任意插值法确定。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，待设计区域可以被更细致的划分不同刻蚀深度。不同区域可以同时进行优化，也可以逐个优化后再整体优化。同个区域内不同坐标可以同时优化也可以分区域优化。
若点坐标发生变动，轮廓也会相应的变动。为了保证器件的可制备性，优化参数需要被约束在合理的范围内。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中，满足收敛条件的优化结果可以作为进一步优化的初始条件进行更细致的局部搜索，如：通过逐个改变点坐标确定是否达到局部最优解。也可采用其他局部搜索算法进行进一步优化。
作为本发明的进一步改进，所述待设计片上光子器件的制作材料为绝缘体上硅（SOI），III-V族材料以及其他集成光波导制备材料。
本发明公开了一种超宽带的光功率分束器的设计系统，其包括：
设计输入模块，用于输入待设计片上光子器件的功能、设计目标以及外观轮廓的待设计区域；
分区离散模块，用于将待设计区域分为波导区域与浅刻蚀区域，将两个区域的轮廓离散成若干个点坐标；其中，所述浅刻蚀区域的刻蚀深度比波导区域的刻蚀深度浅；
优化搜索模块，使用优化搜索算法对波导区域与浅刻蚀区域的轮廓点坐标进行优化搜索；
迭代搜索模块，用于对优化搜索模块的粒子适应度进行迭代搜索，实时记录最优的粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化；满足收敛条件后，迭代停止。
作为本发明的进一步改进，该设计系统还包括：
验证模块，用于对器件性能进行仿真计算，验证器件的最终性能。进一步的，在比工作波长更宽的波长范围内对器件性能进行仿真计算。
作为本发明的进一步改进，所述优化搜索算法为粒子群算法或遗传算法。
作为本发明的进一步改进，所述分区离散模块分别通过所述波导区域与浅刻蚀区域的轮廓上的至少两个点与输入/输出波导上的固定点用直线连接，或采用插值法，确定波导区域与浅刻蚀区域的轮廓。
本发明公开了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行如上任意一项所述的超宽带的光功率分束器的设计方法。
本发明公开了一种装置，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上任意一项所述的超宽带的光功率分束器的设计方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过引入浅刻蚀区域，并且同时优化波导轮廓和浅刻蚀轮廓，对以基于多模干涉（MMI）型的光功率分束器的拍长进行调控，可以有效提高器件带宽；而且得到的器件具有小尺寸的特点，同时可以通过在优化算法中增加约束条件，控制特征尺寸，保证器件的可制备性。
附图说明
图1本发明实施例1的一种超宽带的光功率分束器优化前后的结构示意图，其中，（a）为超宽带的光功率分束器初始结构的结构示意图，（b）为超宽带的光功率分束器的优化结果示意图。
图2为本发明实施例1的超宽带的光功率分束器在1400 nm – 2200 nm不同输入波长时的Hz场图。
图3为本发明实施例1的超宽带片上光功率分束器的插入损耗。
图4为本发明实施例1与不引入浅刻蚀区域设计的优化性能对比。
图5为本发明实施例采用的粒子群算法的收敛性能与迭代次数。
图6为传统单层轮廓优化与实施例的浅刻蚀轮廓优化结果对比；其中（a）为传统设计仅具有单层优化区域的光功率分束器结构示意图，（b）为传统设计仅具有单层优化区域的光功率分束器的优化结果，（d）为实施例1具有浅刻蚀区域的结构示意图，（c）为实施例1具有浅刻蚀区域的优化结果。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
在顶层硅厚度为220 nm，二氧化硅厚度为3 μm的绝缘体上硅平台上进行片上超宽带光功率分束器的硅结构设计，其包括以下步骤：
步骤S1：确定待设计片上光子器件的功能，设计目标以及外观轮廓的待设计区域。片上光子器件采用任意初始结构。
具体而言，如图1所示，本实施例中，待设计片上光子器件为一端口输入、两端口输出，为同时支持1.55 μm和2 μm的光模式，输入输出波导宽度选择为0.7 μm, 两输出波导的间距选择为0.2 μm；所述功能为对输入光在两输出端口进行50:50的分光；所述设计目标为两端口的输出谱线在1400 nm - 2200 nm波段内平坦且两端口输出光功率的总和达到输入光功率的95.5 %以上(器件插入损耗小于0.2 dB)；所述待设计区域为输入输出端口之间长度为3 μm，宽度为2 μm的区域。
步骤S2：建立直角坐标系，将该器件沿着X轴方向摆放，即输入输出光能量均沿X轴方向流动，且器件的中轴线与X轴重合；输入输出端口之间长度为3 μm的区域待设计区域可分为两个主要部分，波导区域与浅刻蚀区域。本实施例中，波导区域硅层高度为220 nm，浅刻蚀区域硅层高度为150 nm，设计区域沿轴对称。对于波导区域的边缘轮廓，在考虑缘轮廓的长度后，在轮廓上取2个点 (A1和A2)，且点在X，Y轴方向上均有自由度，其坐标记为(A1x,A1y)和(A2x,A2y)；波导区域轮廓由两个点与输入输出波导上的固定点用直线连接确定。对于浅刻蚀区域的边缘轮廓，在考虑优化区域后，取3个点 (B1, B2和B3)，其坐标分别记为(B1x,B1y), (B2x,B2y) 和 (B3x,B3y)；浅刻蚀区域的轮廓由3个点与输出波导上的固定点用直线连接确定。
如图1a）所示，本实施例有5个待优化的坐标， 共10个优化参数（A1x,A1y,A2x,A2y,B1x,B1y,B2x,B2y,B3x,B3y）。此时，设计区域内的所有轮廓都可由这10个优化参数所表示，优化参数发生变动，轮廓也会相应的变动，为了保证器件的可制备性，优化参数需要被约束在合理的范围内。
步骤S3：将10个优化参数合并为一个1 × 10的矢量，记为L。使用粒子群算法对L进行优化搜素，粒子数设置为20，每个粒子的适应度FOM为 mean(Transmission)，Transmission指的是每个粒子所对应的器件结构在两个端口之一的透射率，波段范围为1500 nm – 2000 nm，mean(Transmission)为该波长范围内多干个仿真波长的透射率平均值。
步骤S4：对步骤S3所述粒子群算法的粒子适应度中进行迭代搜索，并实时记录最优解粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化。当最优解所对应粒子适应度的值在5代更新迭代中的差值小于1e-5时，停止粒子群算法并记录此时搜索到的10个优化参数。
步骤S5：在1.4μm-2.2μm的更宽的工作波长范围内对器件性能进行仿真计算，验证器件最终性能。
本实施例中，初始结构的器件结构示意图如图1a）所示，初始结构为随机生成，可以为任意图样。可见，待设计区域被分为波导区域与浅刻蚀区域,两个区域的轮廓被离散为5个点 (A1, A2, B1, B2和B3)，共10个优化参数。离散点由直线相连构成区域轮廓。
对于本实施例设计的超宽带片上光功率分束器的结构即优化后的结构对应如图1(b) 所示，可见，两个区域边缘轮廓被优化以满足我们的设计目标。
本实施例设计的超宽带片上光功率分束器在不同工作下的波长的光场图如图2所示。可见，浅刻蚀区域对该器件的调控可以使得器件在超宽带中保持良好的性能。
图3为本实施例设计的超宽带片上光功率分束器的插入损耗。可见，在1400 nm-2200 nm波段内的插入损耗小于0.2 dB，很好的满足了我们的设计目标。
进一步的，本实施例同时优化波导区域与浅刻蚀区域进行设计，与仅对外轮廓进行优化无内部浅刻蚀区域的设计性能进行对比，如图4所示，可见，采用本实施例的引入浅刻蚀区域的方案得到的器件损耗较小，带宽得到了提高。
本实施例采用粒子群算法，得到的器件收敛性能如图5所示。由图5可知，在该实施例中，粒子群的最佳适应度在第1-5代快速增加，而后缓慢增加，并在第58代满足收敛目标，完成迭代，得到优化结构。
除此之外，还针对本实施例与传统的轮廓优化的方案得到的器件进行了对比，结果如图6所示，可见浅刻蚀轮廓优化与传统轮廓优化具有带宽与损耗性能上的优势；而且与现有技术公开的内容相比，本实施例的器件具有更好的带宽特性。
综上，本实施例设计的器件可以有效的实现超宽带(本实施例中器件的0.2 dB插入损耗工作波长范围为1400 nm – 2200 nm)的光功率分束器的结构及其具体的设计方法。该结构同时具有小尺寸的特点(本实施例中器件尺寸为本实施例1.65 μm× 3 μm)，同时可以通过在优化算法中增加约束条件，控制特征尺寸，保证器件的可制备性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超宽带的光功率分束器的设计方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤S1，确定待设计片上光子器件的功能、设计目标以及外观轮廓的待设计区域；输入输出波导宽度为0.7μm, 两输出波导的间距为0.2μm；
步骤S2，将待设计区域分为波导区域与浅刻蚀区域，将两个区域的轮廓离散成若干个点坐标，其中，所述浅刻蚀区域的刻蚀深度比波导区域的刻蚀深度浅；波导区域硅层高度为220 nm，浅刻蚀区域硅层高度为150 nm，设计区域沿轴对称；
步骤S3，使用优化搜索算法对波导区域与浅刻蚀区域的轮廓点坐标进行优化搜索；
步骤S4，对步骤S3的粒子适应度进行迭代搜索，实时记录最优的粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化；满足收敛条件后，迭代停止；
步骤S2中，分别通过波导区域、浅刻蚀区域的轮廓上的至少两个点与输入/输出波导上的固定点用直线连接确定，或采用插值法确定对应区域的轮廓；
所述超宽带的光功率分束器的0.2 dB插入损耗工作波长范围为1400 nm–2200 nm。
2.根据权利要求1所述的超宽带的光功率分束器的设计方法，其特征在于：还包括：
步骤S5，对器件性能进行仿真计算，验证器件最终性能；
步骤S4中，将满足收敛条件的优化结果作为进一步优化的初始条件，重复该步骤进行更进一步的局部搜索。
3.根据权利要求1所述的超宽带的光功率分束器的设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述优化搜索算法为粒子群算法或遗传算法。
4.根据权利要求1所述的超宽带的光功率分束器的设计方法，其特征在于：
所述待设计片上光子器件的制作材料为绝缘体上硅或III-V族材料。
5.一种采用如权利要求1~4任意一项所述的超宽带的光功率分束器的设计方法的设计系统，其特征在于：其包括：
设计输入模块，用于输入待设计片上光子器件的功能、设计目标以及外观轮廓的待设计区域；
分区离散模块，用于将待设计区域分为波导区域与浅刻蚀区域，将两个区域的轮廓离散成若干个点坐标；其中，所述浅刻蚀区域的刻蚀深度比波导区域的刻蚀深度浅；所述分区离散模块分别通过所述波导区域、浅刻蚀区域的轮廓上的至少两个点与输入/输出波导上的固定点用直线连接，或采用插值法，确定波导区域、浅刻蚀区域的轮廓；
优化搜索模块，使用优化搜索算法对波导区域与浅刻蚀区域的轮廓点坐标进行优化搜索；
迭代搜索模块，用于对优化搜索模块的粒子适应度进行迭代搜索，实时记录最优的粒子适应度的值在每一次迭代过程中的变化；满足收敛条件后，迭代停止。
6.根据权利要求5所述的超宽带的光功率分束器的设计系统，其特征在于，还包括：
验证模块，用于对器件性能进行仿真计算，验证器件的最终性能。
7.根据权利要求6所述的超宽带的光功率分束器的设计系统，其特征在于：所述优化搜索算法为粒子群算法或遗传算法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行如权利要求1~4任意一项所述的超宽带的光功率分束器的设计方法。
9.一种装置，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1~4任意一项所述的超宽带的光功率分束器的设计方法。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ultracompactand high efficient silicon-based polarization splitterrotator using a partially-etched subwavelength grating coupler;Yin Xu等;Scientific Reports(第第6期期);正文1-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114924408A (zh) | 2022-08-19 |
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