CN115343803A - 一种设于硅基片上的环形波长解复用器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供的一种设于硅基片上的环形波长解复用器及其设计方法，波长解复用器包括一个长方形光源导入端口、设于二氧化硅衬底上的正六边形器件主体以及两个长方形光源导出端口，其中：光源导入端口，用于导入入射光源到器件主体内部，入射光源中汇合有多种具备不同中心波长的光信号；器件主体内部均匀分布有多个区块，且每个区块的中心按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，刻蚀有半径与设计规则相适应的空气柱，用于在空气柱的作用下，从入射光源中分离出具备相应中心波长的光信号；各光源导出端口，分别用于导出分离得到的具备相应中心波长的光信号。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，具体而言，涉及一种设于硅基片上的环形波长解复用器及其设计方法。
背景技术
近些年来，采用逆向设计(Inverse design)算法研究设计超紧凑、高性能、以及多功能的硅基光子器件，也就是硅基光子器件(Nanophotonic device)已成为一种趋势。在种类繁多的光子器件中，波长解复用器是重要的一员，它可以实现多通道的波长解复用，对处理片上光信号具有重要的意义。就波长解复用器而言，虽然其已经得到普遍应用，且种类繁多，但是现有的波长解复用器不能实现在任意方向的解复用。换句话说，虽然，现有的波长解复用器可以实现对输入端的光的波长分解，然后从其从输出端进行输出。但是，如果将光源放置在输出端，该器件就无法实现波长解复用的功能。
发明内容
本申请实施例的目的在基于提供一种设于硅基片上的环形波长解复用器及其设计方法，可以基于逆向设计算法设计出具有任意输入、超紧凑和低串扰的硅基片上环形波长解复用器。
本申请实施例还提供了一种设于硅基片上的环形波长解复用器，所述波长解复用器包括一个长方形光源导入端口、设于二氧化硅衬底上的正六边形器件主体以及两个长方形光源导出端口，其中：
所述光源导入端口，用于导入入射光源到器件主体内部，所述入射光源中汇合有多种具备不同中心波长的光信号；
所述器件主体内部均匀分布有多个区块，且每个区块的中心按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，刻蚀有半径与所述设计规则相适应的空气柱，用于在空气柱的作用下，从入射光源中分离出具备相应中心波长的光信号；
各光源导出端口，分别用于导出分离得到的具备相应中心波长的光信号。
第二方面，本申请实施例还提供了一种适用于上述的波长解复用器的设计方法，所述方法包括：
S1、在预设的初始区域拓扑分布结构下，对各所述区块进行遍历，遍历过程中，针对遍历到的区块，将所述区块的刻蚀状态从原先的初始刻蚀状态转变为目标刻蚀状态；
S2、在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，计算在所述初始刻蚀状态下取到的第一品质取值，以及在所述目标刻蚀状态下取到的第二品质取值；
S3、比较所述第一品质取值以及第二品质取值，并在确定所述第二品质取值大于或等于所述第一品质取值时，将所述区块的刻蚀状态确定为所述目标刻蚀状态，以及，在其他情况下，将所述区块的刻蚀状态恢复到所述初始刻蚀状态；
S4、在结束区块遍历时，若基于当前迭代过程中更新后的区域拓扑分布结构，在确定品质取值整体趋于收敛时，则结束当前的设计流程，否则，进入下一迭代过程，重新调整设计区域的拓扑分布结构，并继续执行步骤S1-步骤S3。
由上可知，本申请实施例提供的一种设于硅基片上的环形波长解复用器及其设计方法，采用逆向设计，将物理问题转换为数学问题，按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，在器件柱体内部刻蚀与该设计规则相适应的空气柱，进而实现在任意方向的解复用效果，提高了设备操作灵活性。相较于传统的正向设计，本申请提出的逆向设计方法，能够高效搜索到更大的参数空间，且在保证器件性能的同时也能够极大地缩小器件尺寸，提高了器件集成度。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种设于硅基片上的环形波长解复用器的平面结构图；
图2为器件柱体内部设计区域的划分示意图；
图3为菱形设计区域的划分示意图；
图4为设计空气柱半径的流程示意图；
图5为基于逆向设计的硅基片上环形波长解复用器在三种不同初始结构下FOM值的收敛过程示意图；
图6为基于逆向设计的硅基片上环形波长解复用器优化完成后，每个输出端口的透射光谱设计图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参考图1，其为一种设于硅基片上的环形波长解复用器的平面结构图。从图1可知，本申请公开的一种设于硅基片上的环形波长解复用器，波长解复用器包括一个长方形光源导入端口、设于二氧化硅衬底10上的正六边形器件主体以及两个长方形光源导出端口，其中：
光源导入端口，用于导入入射光源到器件主体内部，入射光源中汇合有多种具备不同中心波长的光信号。
具体的，光源导入端口与光源导出端口的位置不固定，示例性的，在光源导入端口位于标识1指向的位置时，两个光源导出端口将分别位于标识2和标识3所指向的位置；在光源导入端口位于标识2指向的位置时，两个光源导出端口将分别位于标识1和标识3所指向的位置，其他情况可以依次类推，当前不做过多说明。
器件主体内部均匀分布有多个区块，且每个区块的中心按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，刻蚀有半径与设计规则相适应的空气柱，用于在空气柱的作用下，从入射光源中分离出具备相应中心波长的光信号。
具体的，正六边形灰色区域中分布的呈圆形的白色区块，为在区块中心刻蚀的半径为45nm的空气柱6，当前区块的刻蚀状态为刻蚀空气柱状态。正六边形灰色区域中分布的呈圆形的灰色区块，为在区块中心刻蚀的半径为0nm的空气柱，即在区块的中心不打孔，当前区块的刻蚀状态为未刻蚀状态。
各光源导出端口，分别用于导出分离得到的具备相应中心波长的光信号。
由上可知，本申请公开的一种设于硅基片上的环形波长解复用器，采用逆向设计，将物理问题转换为数学问题，按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，在器件柱体内部刻蚀与该设计规则相适应的空气柱，进而实现在任意方向的解复用效果，提高了设备操作灵活性。相较于传统的正向设计，本申请提出的逆向设计方法，能够高效搜索到更大的参数空间，且在保证器件性能的同时也能够极大地缩小器件尺寸，提高了器件集成度。
在其中一个实施例中，光源导入端口与光源导出端口的制作材料、宽度以及高度均保持一致；光源导入端口、以及各光源导出端口分别设于器件主体的一侧；光源导入端口的横向对称轴，与各光源导出端口的横向对称轴相交于器件主体的内部中心点。
具体的，请参考图1，光源导入端口、以及各光源导出端口分别居中设于器件主体的一条侧边上，且位置并不固定，由于前面已经说明了相应的实施细节，当前实施例中不做过多说明。上述的位置设置方式，可以使得器件整体具备高度的对称性，避免了设计区域主体夹角产生的光能量损耗，提高了设计精准度。
在其中一个实施例中，光源导入端口以及光源导出端口的制作材料均为硅；光源导入端口与光源导出端口的宽度取值为500nm，且其高度取值为220nm。
具体的，请参考图1，光源导入端口以及光源导出端口的制作材料保持一致，均为硅9。光源导入端口以及光源导出端口的宽度取值以及高度取值保持一致，即光源导入端口以及光源导出端口的形状大小完全保持一致，如此，在器件整体具备高度对称性的情况下，可以实现在任意方向的解复用，提高了设备操作的灵活性。
在其中一个实施例中，器件主体内部设有三个大小完全相同的菱形设计区域，其中：各设计区域中均按照上、下层相邻单元在空间上呈一定夹角、且同层相邻单元处于同一水平线上，使其能够环绕形成封闭菱形区域的方式，均匀分布有多个区块。
具体的，请参考图1-图3，当前实施例中，会将边长为1.8um的呈正六边形的设计区域(即标识8指示的对象)，划分为3个对称、且大小完全相同的菱形设计区域(具体可以参考图2，图2中示意的虚线可以进一步将其理解为分割线，基于该分割线进行区域划分，可以得到相应的菱形设计区域)。其中，在每个菱形设计区域中，会将位于上一层的区块插空放置在下一层相邻的两个区块中间(具体可以参考图3，其中，图3(a)表示简单的规整分布示意图，图3(b)表示区块插空放置的非规整分布示意图)。如此，基于上述的分布方式，可以进一步实现高度对称的几何结构，并且使得区域内的区块能够分布均匀。
在其中一个实施例中，器件主体的宽度取值为1.8um，且其高度取值为220nm；各区块内空气柱的刻蚀半径的取值为0nm或45nm，且空气柱的刻蚀半径整体分布不均匀；设计区域内部上、下层相邻单元在空间上呈60度夹角，且同层相邻单元之间间隔120nm。
具体的，请参考图1和图3，器件主体的宽度取值为1.8um，即为图1中标识8指示的对象。每个区块存在两种状态：1、中间不打孔状态(即未刻蚀状态)；2、中间打孔状态(即刻蚀空气柱状态)。同层中，相邻空气孔心间的间隔距离为120nm(即图1中标识4、标识5指示的对象，具体的也可以参考图3进行理解)，上下两侧相邻空气孔心间的间隔角度为60°(即图1中标识7指示的对象，具体的也可以参考图3进行理解)，如此，按照这样的分布方式，可以进一步实现高度对称的几何结构，节约设计的时间。
在其中一个实施例中，请参考图4，空气柱的半径按照下述步骤设计所得：
步骤S1，在预设的初始区域拓扑分布结构下，对各区块进行遍历，遍历过程中，针对遍历到的区块，将区块的刻蚀状态从原先的初始刻蚀状态转变为目标刻蚀状态。
具体的，改变区块的刻蚀状态即将区块从原先的刻蚀空气柱状态翻转为未刻蚀状态，或将区块从原先的未刻蚀状态翻转为刻蚀空气柱状态。
需要说明的是，若在相应像素点处刻蚀的空气柱的半径为0nm，则说明在该像素点处没有刻蚀空气柱，即当前像素点的刻蚀状态为未刻蚀状态。
步骤S2，在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，计算在初始刻蚀状态下取到的第一品质取值，以及在目标刻蚀状态下取到的第二品质取值。
其中，可以定义一个品质因数(Figure Of Merit，FOM)来描述优化目标，即按照品质因数设计区块内空气柱的刻蚀半径。
具体的，光信号所具备的中心波长的取值范围包括[1400nm,1600nm]，步骤S2中，通过下述公式计算相应刻蚀状态下取到的品质取值FOM：
FOM＝α1×(T11+T22)+α2×(2-T12+T21)；
其中，T11为第一输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T12为第一输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，T21为第二输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T22为第二输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，α1和α2为预设的权重指标。
在其中一个实施例中，在将插入损耗和串扰视为同等重要的情况下，选择的比率为α1/α2＝0.5/0.5。
步骤S3，比较第一品质取值以及第二品质取值，并在确定第二品质取值大于或所述第一品质取值时，将区块的刻蚀状态确定为目标刻蚀状态，以及，在其他情况下，将区块的刻蚀状态恢复到初始刻蚀状态。
具体的，在预设设计区域的初始状态之后，将进入迭代过程。迭代的过程中，会在初始状态的基础上，随机改变某个区块的刻蚀状态，并同步计算器件性能是否满足收敛条件(即将当前刻蚀状态下取到的品质取值A，与初始刻蚀状态下取到的品质取值B进行比较，并判断品质取值A是否得到改善)。如果满足，则保留当前刻蚀状态，反之，则将区块恢复到初始刻蚀状态。
步骤S4，在结束区块遍历时，若基于当前迭代过程中更新后的区域拓扑分布结构，在确定品质取值整体趋于收敛时，则结束当前的设计流程，否则，进入下一迭代过程，重新调整设计区域的拓扑分布结构，并继续执行步骤S1-步骤S3。
具体的，基于图5可以确定的是，初始结构为随机状态的设计效果要优于全硅状态、以及全空气状态的设计效果，且，随着迭代次数的增加，在达到第5次迭代之后，FOM的取值趋势会逐渐从最开始地递增趋势转变为平坦趋势，这代表FOM的取值逐渐趋近收敛，直到FOM的取值不再变化时，即得到了最优的拓扑分布结构。
具体的，请参考图6，其为基于逆向设计的硅基片上环形波长解复用器优化完成后，每个输出端口的透射光谱设计图。通过该图可知，当光源输入端口注入宽谱光源(例如，该宽谱光源的中心波长可以为1400nm到1600nm)时，可以看到对于输出端口1，1400nm波段的峰值插入损耗该波长解复用的损耗低于2.62dB，中心波长的串扰约为-13.398dB。对于输出端口2，1600nm波段的峰值插入损耗该波长解复用的损耗低于2.72dB，中心波长的串扰约为-16.2dB。
请参考图4，其为一种适用于上述任一项所述的波长解复用器的设计方法的流程示意图，该方法包括：
步骤S1，在预设的初始区域拓扑分布结构下，对各区块进行遍历，遍历过程中，针对遍历到的区块，将区块的刻蚀状态从原先的初始刻蚀状态转变为目标刻蚀状态。
步骤S2，在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，计算在初始刻蚀状态下取到的第一品质取值，以及在目标刻蚀状态下取到的第二品质取值。
步骤S3，比较第一品质取值以及第二品质取值，并在确定第二品质取值大于或等于第一品质取值时，将区块的刻蚀状态确定为目标刻蚀状态，以及，在其他情况下，将区块的刻蚀状态恢复到初始刻蚀状态。
步骤S4，在结束区块遍历时，若基于当前迭代过程中更新后的区域拓扑分布结构，在确定品质取值整体趋于收敛时，则结束当前的设计流程，否则，进入下一迭代过程，重新调整设计区域的拓扑分布结构，并继续执行步骤S1-步骤S3。
在其中一个实施例中，所述光信号所具备的中心波长的取值范围包括[1400nm,1600nm]，步骤S2中，通过下述公式计算相应刻蚀状态下取到的品质取值FOM：
FOM＝α1×(T11+T22)+α2×(2-T12+T21)；
其中，T11为第一输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T12为第一输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，T21为第二输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T22为第二输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，α1和α2为预设的权重指标。
由上可知，本申请公开的一种设于硅基片上的环形波长解复用器的设计方法，采用逆向设计，将物理问题转换为数学问题，按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，在器件柱体内部刻蚀与该设计规则相适应的空气柱，进而实现在任意方向的解复用效果，提高了设备操作灵活性。相较于传统的正向设计，本申请提出的逆向设计方法，能够高效搜索到更大的参数空间，且在保证器件性能的同时也能够极大地缩小器件尺寸，提高了器件集成度。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种设于硅基片上的环形波长解复用器，其特征在于，所述波长解复用器包括一个长方形光源导入端口、设于二氧化硅衬底上的正六边形器件主体以及两个长方形光源导出端口，其中：
所述光源导入端口，用于导入入射光源到器件主体内部，所述入射光源中汇合有多种具备不同中心波长的光信号；
所述器件主体内部均匀分布有多个区块，且每个区块的中心按照在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，保证对应光信号的有效分离以及导出的设计规则，刻蚀有半径与所述设计规则相适应的空气柱，用于在空气柱的作用下，从入射光源中分离出具备相应中心波长的光信号；
各光源导出端口，分别用于导出分离得到的具备相应中心波长的光信号。
2.根据权利要求1所述的波长解复用器，其特征在于，所述光源导入端口与所述光源导出端口的制作材料、宽度以及高度均保持一致；
所述光源导入端口、以及各所述光源导出端口分别设于所述器件主体的一侧；
所述光源导入端口的横向对称轴，与各所述光源导出端口的横向对称轴相交于所述器件主体的内部中心点。
3.根据权利要求2所述的波长解复用器，其特征在于，所述光源导入端口以及所述光源导出端口的制作材料均为硅；
所述光源导入端口与所述光源导出端口的宽度取值为500nm，且其高度取值为220nm。
4.根据权利要求1所述的波长解复用器，其特征在于，所述器件主体内部设有三个大小完全相同的菱形设计区域，其中：
各所述设计区域中均按照上、下层相邻单元在空间上呈一定夹角、且同层相邻单元处于同一水平线上，使其能够环绕形成封闭菱形区域的方式，均匀分布有多个区块。
5.根据权利要求4所述的波长解复用器，其特征在于，所述器件主体的宽度取值为1.8um，且其高度取值为220nm；
各区块内空气柱的刻蚀半径的取值为0nm或45nm，且空气柱的刻蚀半径整体分布不均匀；
所述设计区域内部上、下层相邻单元在空间上呈60度夹角，且同层相邻单元之间间隔120nm。
6.根据权利要求5所述的波长解复用器，其特征在于，所述空气柱的半径按照下述步骤设计所得：
S1、在预设的初始区域拓扑分布结构下，对各所述区块进行遍历，遍历过程中，针对遍历到的区块，将所述区块的刻蚀状态从原先的初始刻蚀状态转变为目标刻蚀状态；
S2、在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，计算在所述初始刻蚀状态下取到的第一品质取值，以及在所述目标刻蚀状态下取到的第二品质取值；
S3、比较所述第一品质取值以及第二品质取值，并在确定所述第二品质取值大于或等于所述第一品质取值时，将所述区块的刻蚀状态确定为所述目标刻蚀状态，以及，在其他情况下，将所述区块的刻蚀状态恢复到所述初始刻蚀状态；
S4、在结束区块遍历时，若基于当前迭代过程中更新后的区域拓扑分布结构，在确定品质取值整体趋于收敛时，则结束当前的设计流程，否则，进入下一迭代过程，重新调整设计区域的拓扑分布结构，并继续执行步骤S1-步骤S3。
7.根据权利要求1所述的波长解复用器，其特征在于，所述光信号所具备的中心波长的取值范围包括[1400nm,1600nm]，步骤S2中，通过下述公式计算相应刻蚀状态下取到的品质取值FOM：
FOM＝α1×(T11+T22)+α2×(2-T12+T21)；
其中，T11为第一输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T12为第一输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，T21为第二输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T22为第二输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，α1和α2为预设的权重指标。
8.一种适用于权利要求1-7中任一项所述的波长解复用器的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、在预设的初始区域拓扑分布结构下，对各所述区块进行遍历，遍历过程中，针对遍历到的区块，将所述区块的刻蚀状态从原先的初始刻蚀状态转变为目标刻蚀状态；
S2、在考虑到插入损耗以及串扰的情况下，计算在所述初始刻蚀状态下取到的第一品质取值，以及在所述目标刻蚀状态下取到的第二品质取值；
S3、比较所述第一品质取值以及第二品质取值，并在确定所述第二品质取值大于或等于所述第一品质取值时，将所述区块的刻蚀状态确定为所述目标刻蚀状态，以及，在其他情况下，将所述区块的刻蚀状态恢复到所述初始刻蚀状态；
S4、在结束区块遍历时，若基于当前迭代过程中更新后的区域拓扑分布结构，在确定品质取值整体趋于收敛时，则结束当前的设计流程，否则，进入下一迭代过程，重新调整设计区域的拓扑分布结构，并继续执行步骤S1-步骤S3。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光信号所具备的中心波长的取值范围包括[1400nm,1600nm]，步骤S2中，通过下述公式计算相应刻蚀状态下取到的品质取值FOM：
FOM＝α1×(T11+T22)+α2×(2-T12+T21)；
其中，T11为第一输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T12为第一输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，T21为第二输出端口输出的中心波长为1400nm的第一光信号的透射率，T22为第二输出端口输出的中心波长为1600nm的第二光信号的透射率，α1和α2为预设的权重指标。
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