CN116047754A - 基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 - Google Patents
基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116047754A CN116047754A CN202310061791.8A CN202310061791A CN116047754A CN 116047754 A CN116047754 A CN 116047754A CN 202310061791 A CN202310061791 A CN 202310061791A CN 116047754 A CN116047754 A CN 116047754A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid crystal
- adjustable
- mode converter
- mode
- simulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 41
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 46
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 44
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 42
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 39
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 31
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 12
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 12
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 claims description 9
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 8
- ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N Adamantane Natural products C1C(C2)CC3CC1CC2C3 ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 210000002858 crystal cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000004643 material aging Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，属于集成光学，光学通信领域。本发明所述优化方法，通过构建基于液晶的可调模式转换器优化模型，利用伴随算法，主要基于计算得到的目标函数对参数空间的梯度定向更新结构达到更快的收敛速度，使用逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率。本发明优化得到基于液晶的可调模式转换器，通过可调模式转换器将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，主要用于光通信链路中不同通道数据的交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理，与模式解复用器结合实现对多路信号的上传和下载。
Description
技术领域
本发明涉及一种片上多功能光器件优化方法，具体涉及一种基于液晶的可调模式转换器，属于集成光学，光学通信领域。
背景技术
为了满足不断增长的数据带宽要求，需要多种复用技术参与来扩充带宽，例如，时分复用、波分复用、偏振复用，但是目前的多种复用技术还难以满足不断增长的带宽要求。模式复用MDM使用单一波长激光器就可以拓展多个通道，这有助于减少光通信系统的成本和尺寸。可调模式转换器TMC使信号在多个信道之间灵活切换，这可以充分利用光学带宽并且组合模式解复用器可以实现光路由。
模式转化器可以转换基横模到任意高阶模式。目前，已经有基于多种原理的可调模式转换器，例如，使用亚波长等离子光波导、狭缝光子晶体波导、倾斜布拉格光栅和热光效应、铌酸锂晶体、相变材料GST。
对于可调模式转换器来说，切换速度至关重要，之前提到的可调平台都有各自的缺点，例如，热光效应的调制速率过低、铌酸锂晶体的体积过大、相变材料的损耗过大。因此使用液晶作为可调平台，通过控制液晶指向矢角度实现可调，对于多功能器件合适的优化算法可以极大地提升设计效率。启发式算法例如，粒子群算法、遗传算法等，虽然能够搜索大部分参数空间，但是随着设计空间的增大，启发式算法的计算复杂度会显著增加，消耗大量计算资源；近年，神经网络已经被引入光器件设计中，产生了非常多的性能优越的器件。但是神经网络算法需要使用全波仿真软件进行数据库准备，并且由于光学器件的性质，对于一种光学响应会有多种器件结构与之对应，多解特性会使神经网络难以收敛。
发明内容
本发明主要目的之一是提供一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，用于优化基于液晶的可调模式转换器，通过构建基于液晶的可调模式转换器优化模型，利用伴随算法，主要基于计算得到的目标函数对结构参数的梯度定向更新结构达到更快的收敛速度，使用逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率。
本发明主要目的之二是根据所述一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，优化得到基于液晶的可调模式转换器，所述基于液晶的可调模式转换器，通过可调模式转换器将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，主要用于光通信链路中不同通道数据的交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理，与模式解复用器结合实现对多路信号的上传和下载，具有小型化、切换速度高、多功能和鲁棒性高的优点。
为了达到以上目的，通过下述技术方案实现：
本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：构建基于液晶的可调模式转换器模型，所述基于液晶的可调模式转换器由晶圆刻蚀形成，刻蚀后的晶圆包括波导、模式转换区域。在晶圆上划分模式转换区域，模式转换区域的长度为L0、宽度为W0。超参数根据晶圆刻蚀工艺和计算资源的限制预先设定，所述超参数包括长度为L0、宽度为W0、高度H0和模式转换区域的最小特征尺寸。可调模式转换器高度为晶圆器件层的高度。模式转换区域在立体空间被平均分划成n*m个单元长方体，单个单元立方体材料状态分为可调材料或者晶圆器件层。通过设定模式转换区域的长度、宽度和单元立方体的尺寸确定单元立方体的数量n*m。单元立方体的高度等于可调模式转换器的高度。单元立方体结构参数使用密度ρ表示，密度ρ值在0-1之间，其中：0代表该单元长方体为可调材料、1代表器件层材料、中间值为无效。所述0代表的单元长方体为可调材料填充在晶圆上模式转换区域刻蚀掉的单元立方体空间。由器件层单元长方体和可调材料单元长方体形成模式转换区域阵列作为为可调模式转换器。
步骤2：对单元立方体结构参数进行约束和处理。使用高斯模糊算法过滤密度分布ρ中的高频信息，即微小的长方体或者孔洞、尖锐的角，加入高斯模糊处理降低器件加工难度并且增加了器件的鲁棒性；使用二值化映射将处于中间值的参数判断为可调材料或者器件层，消除单元立方体结构参数在迭代中产生无法制作的无效参数；对密度
进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度
进行闭运算填平微小的孔洞。通过对密度
进行高斯模糊处理、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小所述微小结构对液晶分子的强锚定效应，锚定效应会影响液晶的可调特性。
根据公式(1)，使用高斯模糊算法消除结构中细长的长方体或者微小孔洞；用
表示密度分布经过高斯操作之后的参数：
其中，D是第i个单元长方体周围以高斯模糊半径R为半径之内的单元长方体集合，ri和rj是第i和第j个单元立方体的位置，hij代表权重。
根据公式(3)，使用二值化映射将处于中间值的参数判断为可调材料或者器件层，消除单元立方体结构参数在迭代中产生无法制作的无效参数；二值化之后的密度用
表示：
其中，θ控制二值化的强度，η是该曲线的中心。当二值化强度很大时，密度小于η的都会映射为0，而密度大于η的会映射为1。随着迭代次数增加，逐渐增大二值化强度，避免突然增大二值化强度带来的收敛速度下降。
为了避免影响收敛速度，作为优选，所述曲线的中心η选为0.5。
为了减少高斯模糊对器件自由度的限制，使用较小的高斯模糊半径，并对密度
进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度
进行闭运算填平微小的孔洞。通过对密度
进行高斯模糊处理、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小所述微小结构对液晶分子的强锚定效应。
步骤3：液晶具有光学波段低损、切换速度快的优点，可调材料选用液晶材料。可调器件通过控制液晶指向矢的角度实现相对介电常数的调控。液晶的双折射率越大获得的器件平均品质因数FOM越大。
步骤4：以器件平均品质因数FOM最大为优化目标，以亥姆霍兹方程为约束条件，构建基于液晶的可调模式转换器的模型优化问题；利用伴随算法，主要基于前向仿真、后向仿真求解得到的电场分布数据获得目标函数对结构参数的梯度，利用梯度定向更新结构参数达到更快的收敛速度，添加逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率。
利用前向仿真和背向仿真得到的模式转换区域的电场分布，根据电场分布计算目标函数相对于结构参数的梯度。以器件平均品质因数FOM最大为优化目标，以亥姆霍兹方程为约束条件，构建基于液晶的可调模式转换器模型优化问题如公式(4)所示：
通过约束条件亥姆霍兹方程求出器件中的电场分布ES，上标S表示器件的状态液晶指向矢的多个角度对应多个状态；ω是器件的工作波长；ε代表器件的相对介电常数分布，通过
插值之后得到相对介电常数分布，其中
代表结构参数经过二值化、高斯模糊、形态学算子之后的密度分布；JS是电流源用以在输入波导激发TE模式光。最大化品质因数FOM是通过后续步骤5构建的梯度更新结构来实现的，梯度通过前向仿真和背向仿真的仿真数据求解。
前向仿真是在器件的输入波导激发TE0模，计算模式转换区域的位于器件层厚度二分之一上的XY平面电场分布数据。利用输出波导和输入波导的电场分布求得器件在该结构参数的品质因数FOM，该值越大代表器件性能越好，处于0-1之间，定义如下：
其中，E代表仿真得到的输出波导XY平面电场分布，
代表期望的输出波导XY平面电场分布，上标S代表多功能器件中第S个状态。
背向仿真是在器件的输出波导处放置公式为
电流源激发光场，计算模式转换区域的位于器件层厚度二分之一上的XY平面电场分布数据。通过前向仿真和背向仿真得到的电场数据，经过处理后就得到目标函数相对于结构参数的梯度：
其中，
代表前向仿真的器件电场分布数据，
代表后向仿真的器件电场分布数据。
完成各个状态的前向仿真获得电场分布数据和品质因数FOM后，加入逻辑分支结构。通过比较各个状态的品质因数FOM判断出需背向仿真的液晶状态，避免可调器件某个状态的品质因数远低于其他状态，提升可调器件的平均品质因数FOM。加入逻辑分支结构判断出需背向仿真的液晶状态实现方法为：比较多个品质因数FOM的大小，如果某个状态的品质因数FOM远大于其他状态，将不会运行该状态的背向仿真，只求解其他状态的梯度进行结构更新。只有当所有状态的品质因数FOM大致相同时，才会同时求解各个状态的梯度用以更新单元立方体结构参数，避免可调器件某个状态的品质因数远低于其他状态，即提升可调器件的平均品质因数。
作为优选，所述光学仿真软件选用COMSOL。
步骤5：梯度数据处理与结构参数的更新。步骤4得到梯度后，使用ADAM优化器处理梯度数据，并进行参数更新，使器件更好地收敛到局部最优解，得到优化后的可调模式转换器结构参数，即实现对基于液晶的可调模式转换器优化。
使用公式(7)进行参数更新：
其中，lr代表学习率是非常重要的超参数，对器件的收敛情况有很大影响；
代表经过ADAM优化器处理的各个状态梯度数据。
步骤6：根据步骤5优化得到可调模式转换器结构参数，在晶圆刻蚀形成可调模式转换器，并在晶圆上刻蚀波导、光栅耦合器。使用液晶对器件的模式转换区域及输入输出波导填充液晶，进而完成液晶盒的制作。得到品质因数满足预设使用性能要求的可调模式转换器，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。
根据所述一种基于液晶的可调模式转换器优化方法得到所述基于液晶的可调模式转换器。可调模式转换器用于将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，转换为多个高阶模式光主要用于光通信链路中用以进行不同通道的数据交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理。可调模式转换器结合模式解复用器实现对多路信号的上传和下载，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。
有益效果：
1、本发明公开的基于液晶的可调模式转换器及其优化方法，通过构建基于液晶的可调模式转换器优化模型，利用伴随算法，主要基于计算得到的目标函数对结构参数的梯度定向更新结构达到更快的收敛速度，使用逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率。
2、本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器及其优化方法，在完成各个状态的前向仿真获得电场分布数据和品质因数FOM后，加入逻辑分支结构，通过比较各个状态的品质因数FOM判断出需背向仿真的液晶状态，避免可调器件某个状态的品质因数远低于其他状态，即提升可调器件的平均品质因数FOM。
3、本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器及其优化方法，使用较小的高斯模糊半径，并对密度
进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度
进行闭运算填平微小的孔洞。通过对密度
进行高斯模糊处理、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小所述微小结构对液晶分子的强锚定效应，减少高斯模糊对器件自由度的限制。锚定效应会影响液晶的可调特性。
4、本发明公开的基于液晶的可调模式转换器及其优化方法，液晶具有光学波段低损、切换速度快的优点，可调材料选用液晶材料。可调器件通过控制液晶指向矢的角度实现相对介电常数的调控。液晶的双折射率越大获得的器件平均品质因数FOM越大。
5、本发明公开的基于液晶的可调模式转换器及其优化方法，在实现上述有益效果1、2、3、4基础上，将优化得到的可调模式转换器用于将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，转换为多个高阶模式光主要用于光通信链路中用以进行不同通道的数据交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理。本发明能够生成多功能、结构紧凑、高性能的片上光学器件，为光通信系统和光传感系统提供新型组件。可调模式转换器结合模式解复用器实现对多路信号的上传和下载，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。
附图说明
图1是本发明公开的基于液晶的可调模式转换器优化方法流程图；
图2左是本发明的器件示意图； 右是本发明实现功能示意图；
图3是根据一示例性实施例示出一种可调模式转换器的模式转换区域示意图；
图4是设计方法初值及结构参数处理过程；
其中：图4-a为设计方法的初始结构参数分布，黑色代表晶圆器件层，图4-b为结构参数的局部放大图，图4-c为该局部放大区域经过高斯模糊后的结构参数，图4-d为该局部放大区域经过二值化映射后的结构参数，图4-d为该局部放大区域经过开、闭运算后的结构参数。
图5为液晶双折射率与器件平均品质因数关系研究，使用三种不同双折射率的液晶材料进行可调模式转换器的结构优化，图中列出了该三态可调模式转换器在三种液晶下各状态的归一化品质因数。
图6为不同算法结构在不同迭代次数下的品质因数。
图7是本发明的仿真结果；
其中：图7-a为最终器件的模式转换区域4结构示意图、图7-b为液晶盒5中液晶处于状态1时，器件在Z方向上位于中间的XY面光强分布、图7-c为液晶处于状态2时，器件在Z方向上位于中间的XY面光强分布、图7-d为液晶处于状态3时，器件在Z方向上位于中间的XY面光强分布、图7-e为对于bcd结果的量化，X轴下标签为状态1时，只有TE0模输出，其他模式的光非常微弱。而标签为状态2时，只有TE1模式输出。标签为状态3时，只有TE2模式输出。
图8是实验示意图和实际器件的SEM图。其中：图8-a中间区域为整个系统的SEM图，由两边的光栅耦合器、波导、可调模式转换器、模式解复用器组成。光源为超连续激光器SCW，使用光谱仪进行探测；图8-b为系统核心器件可调模式转换器的SEM图；图8-c为模式解复用器的SEM图。
图9是实验得到的系统波长响应曲线。
图中：1—衬底、2—输入波导、3—输出波导、4—模式转换区域、5—液晶盒。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图对发明内容做进一步说明。
如图1所示，本实施例公开的一种基于液晶的可调模式转换器，具体实现步骤如下：
步骤1：构建基于液晶的可调模式转换器模型，所述基于液晶的可调模式转换器由晶圆刻蚀形成，晶圆以二氧化硅为基底1、800nm厚的氮化硅为器件层，在器件层上刻蚀输入波导2、输出波导3和模式转换区域4后，填充液晶材料进行封装形成液晶盒5，如图2。在晶圆上划分模式转换区域4，模式转换区域4的长度L0为14μm、宽度W0为16μm。在输入波导2引入TE0模光，经过模式转换区域4后在输出波导3可以输出多个高阶模式光。可调模式转换器高度为晶圆器件层的高度。如图3，模式转换区域4在立体空间被平均分划成140*160个单元长方体，单元立方体的长宽高为100nm*100nm*800nm,单个单元立方体材料状态分为可调材料或者晶圆器件层，图中黑色方块代表单元立方体材料状态为晶圆器件层、图中白色方块代表单元立方体材料状态为可调材料。单元立方体结构参数使用密度ρ表示，密度ρ值在0-1之间，其中：0代表该单元长方体为可调材料、1代表器件层材料、中间值为无效。所述0代表的单元长方体为可调材料填充在晶圆上模式转换区域刻蚀掉的单元立方体空间。由器件层单元长方体和可调材料单元长方体形成模式转换区域阵列作为为可调模式转换器。
步骤2：使用公式(1)高斯模糊过滤密度分布ρ中的高频信息，加入高斯模糊处理降低器件加工难度并且增加了器件的鲁棒性。图4a中存在密度陡然上升的结构，属于密度分布中的高频信息。图4b为经过高斯模糊算法后的密度分布，处理之后密度陡然上升的结构转化为空间频率较低的渐变结构；使用公式(3)二值化映射将处于中间值的参数判断为可调材料或者器件层，消除单元立方体结构参数在迭代中产生无法制作的无效参数。图4c为经过高斯模糊和二值化映射处理后的密度分布，处理后孔洞的尺寸减小。对于某孔洞小于图4a孔洞尺寸，在经过高斯模糊和二值化映射之后可以使该孔洞闭合。经过高斯模糊与二值化映射之后可以使器件的孤立结构大大减少，增加器件模式转换区域4中器件层的完整性，即大部分器件层单元立方体是相互临近的；对密度
进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度
进行闭运算填平微小的孔洞。通过对密度
进行高斯模糊处理、二值化映射、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小这些微小结构对液晶分子的强锚定效应，锚定效应会影响液晶的可调特性。
步骤3：液晶具有光学波段低损、切换速度快的优点，可调材料选用液晶材料。可调器件通过控制液晶指向矢的角度实现相对介电常数的调控。如图5，采用多种液晶材料通过相同的优化方法得到器件在各个液晶状态下的品质因数FOM，得出液晶的双折射率越大获得的器件平均品质因数FOM越大，其中E7液晶的双折射率最大，得到的器件平均品质因数最大。
步骤4：本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法以公式(5)器件平均品质因数FOM最大为优化目标，以公式(4)中的亥姆霍兹方程为约束条件，构建基于液晶的可调模式转换器的模型优化问题；利用伴随算法，主要基于前向仿真、后向仿真求解得到的电场分布数据获得目标函数对结构参数的梯度，该过程用公式(6)描述，利用梯度定向更新结构参数达到更快的收敛速度。前向仿真、后向仿真求解得到的电场分布数据是位于XY平面，Z轴坐标为以基底与器件层的界面处为Z轴原点时，高度为器件层高度的一半，具体为该平面上的模式转换区域4内的电场数据。
添加逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率。如图1，在完成各个状态的前向仿真获得电场分布数据和品质因数FOM后，加入逻辑判断结构，通过比较各个状态的品质因数FOM判断出需要进行背向仿真的液晶状态。当某一状态的品质因数FOM远大于其他状态时，将不会对该状态进行背向仿真。通过加入逻辑分支结构，使品质因数FOM过大的液晶状态无法得到背向仿真的电场分布数据，也就无法通过公式(6)获得该状态的梯度数据，在使用其他状态的梯度更新结构参数后，品质因数FOM过大的液晶状态会因梯度缺失导致品质因数FOM下降。图6为不同优化方法结构在不同迭代次数下的品质因数。对比两优化方法在迭代结束后的器件平均品质因数，加入逻辑分支结构的平均品质因数远大于基于随机梯度下降的优化方法。
步骤5：处理梯度数据与结构参数的更新。步骤4得到梯度后，使用ADAM优化器进行处理，使器件更好地收敛到局部最优解。使用公式(7)进行参数更新。得到优化后的可调模式转换器结构参数，即实现对基于液晶的可调模式转换器优化。图7为优化后的模式转换器结构，分为中间的模式转换区域4，该结构由优化算法获得；左边的输入波导2为单模波导，波导宽度W_input为1um；右边的输出波导3为多模波导，波导宽度W_output为2um。图7d，当液晶指向矢沿着X轴正方向时，从输入波导2输入波长为1550nm的TE0模式，经过模式转换区域4被转换成TE2模式信号从输出波导3输出；图7c，当液晶指向矢逆时针旋转33°时，将从输入波导2输入波长为1550nm的TE0模式，经过模式转换区域4被转换成TE1模式信号从输出波导3输出；图7b当液晶指向矢逆时针旋转90°时，将从输入波导2输入波长为1550nm的TE0模式，经过模式转换区域4被转换成TE0模式信号从输出波导3输出。图7e为器件在三种状态下输出波导3中的各个模式光所占比例情况，在状态1时，输出波导3中的TE0光占主要部分，串扰为-11.35dB以下；在状态2时，输出波导3中的TE1光占主要部分，串扰为-13.77dB；在状态3时，输出波导3中的TE2光占主要部分，串扰为-20.30dB以下，满足实际应用的需求。
步骤6：根据步骤5优化得到可调模式转换器结构参数，使用聚焦离子束FIB在晶圆器件层刻蚀形成可调模式转换器，并在晶圆上刻蚀波导、光栅耦合器。使用液晶对器件的模式转换区域及输入输出波导填充液晶，进而完成液晶盒的制作。得到品质因数满足预设使用性能要求的可调模式转换器，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。为了验证器件的可行性，使用填充物质切换代替液晶指向矢改变引起的折射率变化完成优化设计并进行实验，填充物质的切换使用水和空气来实现。当可调模式转换器没有被水填充时，输出波导3将从输入波导2引入的TE0模式光转换为TE1模式光，该状态为状态2STATE2；当可调模式转换器被水填充时，输出波导3将从输入波导2引入的TE0模式光转换为TE0模式光，该状态为状态1STATE1。为了更好观察可调模式转换器的模式转换效果，在可调模式转换器输出波导3连接模式解复用器，模式解复用器可以将可调模式转换器输出的不同模式光切换到不同的模式解复用器输出波导。该可调模式转换器使用的晶圆为常用的绝缘体上硅，即器件层材料为单晶硅，器件层的厚度为220nm。器件的工作波长为1550nm。图8是系统实验示意图和器件的扫描电镜SEM图。图8a中间是整个系统的SEM图。光源为超连续激光器SCW，输出的激光通过线偏振器得到线偏振光后，通过三环偏振控制器控制光纤输出光的偏振方向控制。光纤输出由光栅耦合器耦合到硅片上，输出也是由光纤通过光栅耦合器耦出，通过光谱仪测试整个系统的光谱响应。图8b为可调模式转换器的模式转换区域4SEM图。
图8c为模式解复用器的SEM图。图9为器件光谱响应曲线。图9a状态1的光谱响应，当填充水时输出端口为端口1，端口1为模式解复用器上端输出波导。图9b无填充物时输出端口为端口2，端口2为模式解复用器下端输出波导。实验证明了在不同的折射率条件下输出端口的切换，这表明了可调模式转换器在填充材料折射率发生变化时，输出的光模式不同。
根据所述一种基于液晶的可调模式转换器优化方法得到所述基于液晶的可调模式转换器。可调模式转换器用于将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，转换为多个高阶模式光主要用于光通信链路中用以进行不同通道的数据交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理。可调模式转换器结合模式解复用器实现对多路信号的上传和下载，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。本发明公开的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法可以生成多功能、结构紧凑、高性能的片上光学器件，为光通信系统和光传感系统提供了一系列基于液晶或其他可调材料的多功能器件。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：构建基于液晶的可调模式转换器模型，所述基于液晶的可调模式转换器由晶圆刻蚀形成，刻蚀后的晶圆包括波导、模式转换区域；在晶圆上划分模式转换区域，模式转换区域的长度为L0、宽度为W0；超参数根据晶圆刻蚀工艺和计算资源的限制预先设定，所述超参数包括长度为L0、宽度为W0、高度H0和模式转换区域的最小特征尺寸；可调模式转换器高度为晶圆器件层的高度；模式转换区域在立体空间被平均分划成n*m个单元长方体，单个单元立方体材料状态分为可调材料或者晶圆器件层；通过设定模式转换区域的长度、宽度和单元立方体的尺寸确定单元立方体的数量n*m；单元立方体的高度等于可调模式转换器的高度；单元立方体结构参数使用密度ρ表示，密度ρ值在0-1之间，其中：0代表该单元长方体为可调材料、1代表器件层材料、中间值为无效；所述0代表的单元长方体为可调材料填充在晶圆上模式转换区域刻蚀掉的单元立方体空间；由器件层单元长方体和可调材料单元长方体形成模式转换区域阵列作为为可调模式转换器；
步骤2：对单元立方体结构参数进行约束和处理；使用高斯模糊算法过滤密度分布ρ中的高频信息，即微小的长方体或者孔洞、尖锐的角，加入高斯模糊处理降低器件加工难度并且增加了器件的鲁棒性；使用二值化映射将处于中间值的参数判断为可调材料或者器件层，消除单元立方体结构参数在迭代中产生无法制作的无效参数；对密度进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度进行闭运算填平微小的孔洞；通过对密度进行高斯模糊处理、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小所述微小结构对液晶分子的强锚定效应；
步骤3：液晶具有光学波段低损、切换速度快的优点，可调材料选用液晶材料；可调器件通过控制液晶指向矢的角度实现相对介电常数的调控；液晶的双折射率越大获得的器件平均品质因数FOM越大；
步骤4：以器件平均品质因数FOM最大为优化目标，以亥姆霍兹方程为约束条件，构建基于液晶的可调模式转换器的模型优化问题；利用伴随算法，主要基于前向仿真、后向仿真求解得到的电场分布数据获得目标函数对结构参数的梯度，利用梯度定向更新结构参数达到更快的收敛速度，添加逻辑判断在保证器件目标功能满足预设性能要求的前提下，尽量减小计算资源消耗以提升生成器件的效率；
步骤5：梯度数据处理与结构参数的更新；步骤4得到梯度后，使用ADAM优化器处理梯度数据，并进行参数更新，使器件更好地收敛到局部最优解，得到优化后的可调模式转换器结构参数，即实现对基于液晶的可调模式转换器优化；
步骤6：根据步骤5优化得到可调模式转换器结构参数，在晶圆刻蚀形成可调模式转换器，并在晶圆上刻蚀波导、光栅耦合器；使用液晶对器件的模式转换区域及输入输出波导填充液晶，进而完成液晶盒的制作；得到品质因数满足预设使用性能要求的可调模式转换器，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
根据公式(1)，使用高斯模糊算法消除结构中细长的长方体或者微小孔洞；用表示密度分布经过高斯操作之后的参数：
其中，D是第i个单元长方体周围以高斯模糊半径R为半径之内的单元长方体集合，ri和rj是第i和第j个单元立方体的位置，hij代表权重；
根据公式(3)，使用二值化映射将处于中间值的参数判断为可调材料或者器件层，消除单元立方体结构参数在迭代中产生无法制作的无效参数；二值化之后的密度用表示：
其中，θ控制二值化的强度，η是该曲线的中心；当二值化强度很大时，密度小于η的都会映射为0，而密度大于η的会映射为1；随着迭代次数增加，逐渐增大二值化强度，避免突然增大二值化强度带来的收敛速度下降；
为了减少高斯模糊对器件自由度的限制，使用较小的高斯模糊半径，并对密度进行开运算直接抹除微小的长方体，对密度进行闭运算填平微小的孔洞；通过对密度进行高斯模糊处理、开运算、闭运算，提升器件品质因素和鲁棒性，降低器件加工难度，并且减小所述微小结构对液晶分子的强锚定效应。
3.如权利要求2所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：步骤4实现方法为，
利用前向仿真和背向仿真得到的模式转换区域的电场分布，根据电场分布计算目标函数相对于结构参数的梯度；以器件平均品质因数FOM最大为优化目标，以亥姆霍兹方程为约束条件，构建基于液晶的可调模式转换器模型优化问题如公式(4)所示：
通过约束条件亥姆霍兹方程求出器件中的电场分布ES，上标S表示器件的状态，液晶指向矢的多个角度对应多个状态；ω是器件的工作波长；ε代表器件的相对介电常数分布，通过插值之后得到相对介电常数分布，其中代表结构参数经过二值化、高斯模糊、形态学算子之后的密度分布；JS是电流源用以在输入波导激发TE模式光；最大化品质因数FOM是通过后续步骤5构建的梯度更新结构来实现的，梯度通过前向仿真和背向仿真的仿真数据求解；
前向仿真是在器件的输入波导激发TE0模，计算模式转换区域的位于器件层厚度二分之一上的XY平面电场分布数据；利用输出波导和输入波导的电场分布求得器件在该结构参数的品质因数FOM，该值越大代表器件性能越好，处于0-1之间，定义如下：
其中，E代表仿真得到的输出波导XY平面电场分布，代表期望的输出波导XY平面电场分布，上标S代表多功能器件中第S个状态；
背向仿真是在器件的输出波导处放置公式为电流源激发光场，计算模式转换区域的位于器件层厚度二分之一上的XY平面电场分布数据；通过前向仿真和背向仿真得到的电场数据，经过处理后就得到目标函数相对于结构参数的梯度：
其中，代表前向仿真的器件电场分布数据，代表后向仿真的器件电场分布数据；
完成各个状态的前向仿真获得电场分布数据和品质因数FOM后，加入逻辑分支结构；通过比较各个状态的品质因数FOM判断出需背向仿真的液晶状态，避免可调器件某个状态的品质因数远低于其他状态，提升可调器件的平均品质因数FOM；加入逻辑分支结构判断出需背向仿真的液晶状态实现方法为：比较多个品质因数FOM的大小，如果某个状态的品质因数FOM远大于其他状态，将不会运行该状态的背向仿真，只求解其他状态的梯度进行结构更新；只有当所有状态的品质因数FOM大致相同时，才会同时求解各个状态的梯度用以更新单元立方体结构参数，避免可调器件某个状态的品质因数远低于其他状态，即提升可调器件的平均品质因数。
4.如权利要求3所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：步骤5中，
使用公式(7)进行参数更新：
其中，lr代表学习率是非常重要的超参数，对器件的收敛情况有很大影响；代表经过ADAM优化器处理的各个状态梯度数据。
5.如权利要求2、3或4所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：所述曲线的中心η选为0.5。
6.如权利要求2、3或4所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法，其特征在于：所述光学仿真软件选用COMSOL。
7.基于液晶的可调模式转换器，其特征在于：基于如权利要求2、3或4所述的一种基于液晶的可调模式转换器的优化方法实现，所述可调模式转换器用于将从输入波导引入的基模光转换为多个高阶模式光，转换为多个高阶模式光主要用于光通信链路中用以进行不同通道的数据交换，也能够用于片上多通道传感芯片配合智能算法进行数据灵活处理；可调模式转换器结合模式解复用器实现对多路信号的上传和下载，显著降低不同模式光信号之间串扰，提高不同模式光信号切换速度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310061791.8A CN116047754A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310061791.8A CN116047754A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116047754A true CN116047754A (zh) | 2023-05-02 |
Family
ID=86121669
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310061791.8A Pending CN116047754A (zh) | 2023-01-16 | 2023-01-16 | 基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116047754A (zh) |
-
2023
- 2023-01-16 CN CN202310061791.8A patent/CN116047754A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dideban et al. | Photonic crystal channel drop filter based on ring-shaped defects for DWDM systems | |
| US10585243B2 (en) | High refractive index waveguides and method of fabrication | |
| Jensen et al. | Topology design and fabrication of an efficient double 90/spl deg/photonic crystal waveguide bend | |
| Yuan et al. | An ultra-compact dual-channel multimode wavelength demultiplexer based on inverse design | |
| Hao et al. | Efficient TE-polarized mode-order converter based on high-index-contrast polygonal slot in a silicon-on-insulator waveguide | |
| Alipour-Banaei et al. | Effect of scattering rods in the frequency response of photonic crystal demultiplexers | |
| CN112180592B (zh) | 一种用于光学逆向设计的快速优化方法 | |
| CN114326164A (zh) | 一种基于相变材料的2×2光波导开关及其制备方法 | |
| CN110780381B (zh) | 非对称三波导结构的偏振分束器及其制备方法 | |
| Chen et al. | A gradient-oriented binary search method for photonic device design | |
| Nussbaum et al. | Optimizing the chiral Purcell factor for unidirectional single-photon emitters in topological photonic crystal waveguides using inverse design | |
| Shen et al. | A design method for high fabrication tolerance integrated optical mode multiplexer | |
| CN116047754A (zh) | 基于液晶的可调模式转换器及其优化方法 | |
| Hang et al. | Compact, highly efficient, and controllable simultaneous 2× 2 three-mode silicon photonic switch in the continuum band | |
| Wang et al. | Optimal design of planar wavelength circuits based on Mach-Zehnder interferometers and their cascaded forms | |
| Ye et al. | Topology design of digital metamaterials for ultra-compact integrated photonic devices based on mode manipulation | |
| CN116203742A (zh) | 一种基于相变材料的非对称mmi功率分配器 | |
| CN115292877A (zh) | 一种基于拓扑优化的光子器件自适应逆向设计方法 | |
| Ke et al. | Photonic crystal broadband y-shaped 1× 2 beam splitter inversely designed by genetic algorithm | |
| Zhang et al. | Design and optimization of 1× 2 and 1× 4 Y-shaped beam splitters in GaSb-based 2D photonic crystals | |
| CN106599465B (zh) | 一种1×n分波/合波器优化方法 | |
| Mitarai et al. | Compact power splitters with mosaic-based structure designed by Bayesian direct-binary-search method | |
| Xu et al. | Metal plasmonic assisted silicon-based TE0-to-TM1 mode-order converter with 3.5 μm length | |
| Yuan et al. | Arrayed-waveguide-grating based on proton exchange and etching combined fabrication over bulk Lithium-Niobate substrate | |
| Bazargani et al. | Improvement in the Transmission Coefficient of Photonic Crystal Power Splitter using Selective Optofluidic Infiltration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |