CN116125593B - 一种y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法 - Google Patents

一种y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，包括以下步骤：在SOI平台上构建第一初始结构，所述第一初始结构由一个锥形波导和两个S形波导组成；对锥形波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的Y形分支耦合区域；构建第二初始结构，所述第二初始结构由步骤S2优化得到的Y形分支耦合区域和两条倾斜的直波导组成；对两条倾斜的直波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的弯曲波导；使用DBS算法对步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域进行优化，设置周围像素点。本发明结合了反向设计中的形状伴随优化算法以及DBS算法，设计出一种具有超低损耗和超高带宽的Y形分支光功率分束器。

Description

一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法
技术领域
本发明属于光功率分束器设计领域，具体涉及一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法。
背景技术
在大数据时代，对光子集成电路(PIC)的带宽要求是显而易见的。宽带宽、低插入损耗的紧凑光功率分束器是光子集成回路的重要组成部分。目前已经有多种光功率分束器的设计方案。多模干涉耦合器(MMI)结构紧凑，有良好的制造公差，可应用于多种光子器件。另一种常见的光功率分束器方案是定向耦合器(DC)，其制作工艺简单，可实现任意功率分束比。但传统的MMI和DC对波长变化敏感，其工作带宽一般不超过200nm。Y分支波导由于具有波长独立性和低插入损耗的特点，被广泛应用于光功率分束器中。其设计方案种类较多，如天线耦合形、广角形、基于绝热锥形和基于亚波长光栅的Y分支。这些Y分支方案在原则上是有效的，但它们大多是基于人工参数选择或半解析模型设计的，受限于较小的参数搜索空间，它们无法实现多个性能指标达到最优。
在PIC开发需求的驱动下，反向设计通过先进的迭代算法提供了一种新的方法来协调高性能要求和尺寸的约束。这些算法涵盖了直接二进制搜索(DBS)算法，目标优先，伴随法和深度学习等。近年来，已经报道了多种反向设计的光子集成器件，例如模分复用器，波长解复用器和偏振分束器等。基于这些工作的启发，我们希望利用反向设计得到一种具有超宽带和超低损耗的Y分支功率分束器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，以设计出具有超低损耗和超高带宽的Y形分支光功率分束器。
为解决上述技术问题，本发明的内容包括：
一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，所述Y形分支光功率分束器包括输入波导、Y形分支耦合区域、弯曲波导及周围像素点以及输出波导；所述方法包括以下步骤：
S1.在SOI平台上构建第一初始结构，所述第一初始结构由一个锥形波导和两个S形波导组成；
S2.对锥形波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的Y形分支耦合区域；
S3.构建第二初始结构，所述第二初始结构由步骤S2优化得到的Y形分支耦合区域和两条倾斜的直波导组成；
S4.对两条倾斜的直波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的弯曲波导；
S5.使用DBS算法对步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域进行优化，设置周围像素点。
进一步的，所述步骤S1中，所述S形波导由两个半径为1.5μm的45°圆弧拼接成。
进一步的，所述步骤S1中，所述锥形波导为对Y形分支耦合区域进行形状伴随优化前的初始结构，并且锥形波导的外边界由离散点组成的边所构成；将所述锥形波导的外边界的x坐标设置为30个等距节点，这些等距节点所对应的y坐标为要优化的目标，y坐标的优化范围设置为-1～1μm。
进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S2-1.首先对锥形波导进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-2.根据得到的梯度信息改变耦合优化区域的形状，并对改变形状后的耦合优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-3.重复步骤S2-2直至FOM值收敛，得到优化后的Y形分支耦合区域。
进一步的，所述步骤S3中，两条倾斜的直波导为弯曲波导的初始优化结构，优化区域的尺寸设置为3μm×3μm，将两条倾斜的直波导的外边界的x坐标设置为50个等距节点，y坐标的优化范围设置为-2～2μm。
进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4-1.首先对两条倾斜的直波导进行前向和伴随仿真，求得弯曲波导优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-2.根据得到的梯度信息改变弯曲波导优化区域的形状，并对改变形状后的弯曲波导优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-3.重复步骤S4-2直至FOM值收敛，得到优化后的弯曲波导。
进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S5-1.将步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域划分成30×27个像素点，每个像素点的大小设置为100×100nm，并且像素点的初始状态全设置为“0”；状态“0”为空气，状态“1”为硅；
S5-2.对每一个像素点，改变其状态为“1”并计算状态改变后像素点的FOM值，若FOM值得到提升则保留当前状态，若FOM值没有提升则恢复原来的状态“0”。
进一步的，所述步骤S5-2中，在FOM的计算式中引入权重因子w，FOM的计算式为：
式中，表示透射率较高处的波长的总透射率，表示透射率较低的波长的总透射率，T表示透射率，λi和λj都表示某一个具体的波长，i的取值为1,…,N，j的取值为1,…,M；N，M表示波长的数量。
本发明的有益效果是：
本发明结合反向设计中的形状伴随优化算法以及DBS算法，分阶段性的先利用形状伴随优化算法设计Y形分支波导的Y形分支耦合区域和弯曲波导，得到插入损耗极低的器件后，再利用DBS算法拓展器件的工作带宽，本发明充分结合了两种算法的优势所在，设计出来的Y形分支波导不仅有着极低的插入损耗，在C波段的平均插入损耗为0.057dB，而且具有超高的工作带宽，在0.2dB的透射率变化范围内频率带宽为93THz，波长带宽为700nm。
附图说明
图1是本发明设计的Y形分支光功率分束器的原理图；
图2是本发明的算法流程与优化过程具体示意图；
图3是五种不同间隙大小的透射率对比图；
图4是经过DBS优化前以及优化后的性能表现对比图；
图5是四种不同尺寸弯曲波导的性能对比图；
图6是不同尺寸弯曲波导的光场图以及性能比较图；
图7是利用本发明设计方法级联仿真设计的1分4功分器件示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明提供了一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，包括以下步骤：
S1.在SOI平台上构建第一初始结构，所述第一初始结构由一个锥形波导和两个S形波导组成，并且S形波导由两个半径为1.5μm的45°圆弧拼接成，如图4(a)所示；锥形波导为对Y形分支耦合区域进行形状伴随优化前的初始结构，并且锥形波导的外边界由离散点组成的边所构成；将锥形波导的外边界的x坐标设置为30个等距节点，这些等距节点所对应的y坐标为要优化的目标，y坐标的优化范围设置为-1～1μm。
S2.对锥形波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的Y形分支耦合区域。步骤S2具体包括以下步骤：
S2-1.首先对锥形波导进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-2.根据得到的梯度信息改变耦合优化区域的形状，并对改变形状后的耦合优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-3.重复步骤S2-2直至FOM值收敛，得到优化后的Y形分支耦合区域，如图4(b)所示。
S3.构建第二初始结构，所述第二初始结构由步骤S2优化得到的Y形分支耦合区域和两条倾斜的直波导组成；两条倾斜的直波导为弯曲波导的初始优化结构，优化区域的尺寸设置为3μm×3μm，将两条倾斜的直波导的外边界的x坐标设置为50个等距节点，y坐标的优化范围设置为-2～2μm。
S4.对两条倾斜的直波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的弯曲波导。步骤S4具体包括以下步骤：
S4-1.首先对两条倾斜的直波导进行前向和伴随仿真，求得弯曲波导优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-2.根据得到的梯度信息改变弯曲波导优化区域的形状，并对改变形状后的弯曲波导优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-3.重复步骤S4-2直至FOM值收敛，得到优化后的弯曲波导，如图4(c)所示。
S5.使用DBS算法对步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域进行优化，设置周围像素点。步骤S5具体包括以下步骤：
S5-1.将步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域划分成30×27个像素点，每个像素点的大小设置为100×100nm，并且像素点的初始状态全设置为“0”；状态“0”为空气，状态“1”为硅；
S5-2.对每一个像素点，改变其状态为“1”并计算状态改变后像素点的FOM值，若FOM值得到提升则保留当前状态，若FOM值没有提升则恢复原来的状态“0”。
步骤S5-2中，在FOM的计算式中引入权重因子w，FOM的计算式为：
式中，表示透射率较高处的波长的总透射率，表示透射率较低的波长的总透射率，T表示透射率，λi和λj都表示某一个具体的波长，i的取值为1,…,N，j的取值为1,…,M；N，M表示波长的数量。
图1(a)显示了本发明所设计的Y形分支光功率分束器的原理图，该器件由一个输入波导、Y形分支耦合区域、弯曲波导、若干个像素点以及两个输出波导组成。该器件设计在标准的SOI平台上，顶部的硅芯层为220nm，埋置二氧化硅层的厚度h为3μm。输入和输出波导的宽度d设置为590nm，与输入波导相接的Y形分支耦合区域的长度L1为2μm，宽度W1为1.2μm，弯曲波导区域的长度L2设定为3μm，宽度W2设定为2.68μm，考虑到制作工艺，两个输出波导之间的间隙g设定为50nm，像素点的尺寸大小设置为100nm×100nm，每个像素点的深度也是220nm。
目前硅光子技术的研究主要集中在传统波长1200-1600nm。本发明设计的Y形分支光功率分束器覆盖了1200-1900nm的波段，为进一步探索硅材料在更宽范围的波带的应用提供了可能，以满足下一代大容量光通信的需求。图1(b)显示了本发明所设计的器件的透射率在0.2dB的变化范围内它的带宽具有700nm，即覆盖了1200nm到1900nm的波长变化范围，并且它的频率带宽有93THz，覆盖了从157THz到250THz的频率变化范围。而低损耗光通信波段，也就是O-Band到L-Band的波长变化范围是1260nm到1625nm，本发明所设计的器件的工作波长则完全覆盖了O-Band到L-Band，并且在整个O-band到L-band的透射率变化范围只有0.08dB。这极大提升了器件的适用性和可拓展性。
如图2(a)所示，本发明的整个设计流程分为三个阶段，第一个阶段是使用形状伴随优化算法设计Y形分支耦合区域，第二个阶段是利用设计好的Y形分支耦合区域继续使用形状伴随优化算法设计弯曲波导，第三个阶段是使用DBS算法对弯曲波导区域进行继续优化，整个DBS算法应用在弯曲波导的区域。
在形状伴随优化阶段，需要设定好形状边界变化的范围以及边界点上y与x所满足的函数关系，因为形状伴随优化实际就是一种伴随法，所以每次形状发生变化时，只获取到一次正向仿真加一次伴随仿真后，就可以计算出整个设计区域的形状导数，然后计算出品质因数的梯度信息，利用梯度下降的方式不断更新其FOM值直至收敛为止。
为了获得更优的工作带宽和折射率分布，本发明在弯曲波导附近引入了DBS算法，考虑到工艺的可制造性，每个像素点的大小设置为100nm×100nm，在透射率较低的波长处设置更高的权重比，根据FOM值的变化决定每个像素点的状态(“0”是空气，“1”是硅)，经过多次迭代优化得到最终的结构。
图2(b)显示了整个Y形分支光功率分束器的具体优化过程，每个优化过程与图2(a)旁边的不同颜色数字相互对应，浅黑色数字1表示了耦合区域的初始结构，整个优化区域的尺寸设置为2μm×2μm，因为要实现的是50％:50％的功率分束器，所以整个优化结构是关于x轴对称的，优化结构的外边界是由一个个离散的点组成的边所构成的，在耦合区域，将外边界的x轴设置为30个等距节点，而它们所对应的y坐标就是要优化的目标，整个y坐标的优化范围设置为0～2μm，根据伴随法和梯度下降最后得到的Y形分支耦合区域结构如浅黑色数字5所示。其中，浅黑色数字4表示了优化过程中所改变得到的不同形状，浅黑色数字3则表示了FOM的优化过程。根据得到的Y形分支耦合区域再对弯曲波导进行优化，弯曲波导的初始优化结构如灰色数字1所示，整个的优化区域设置为3μm×3μm，节点个数设置为50，优化后的结构灰色数字5所示，该结构经过图2(a)所示的深黑色数字1代表的DBS算法优化后形成的结构如图2(b)的深黑色数字2所示。
不同的间隙大小不仅对于仿真结果会有影响，而且制造的难易程度也不一样。图3(a)显示了五种不同的间隔大小的透射率对比情况，从结果来看，g越小，则它的插入损耗越低，但是在0～50nm之间这个差距并不显著，这也大体能够从它们各自在1550nm处的光场图能够看出。考虑到器件的可加工性以及表现性能，本发明选择间隙大小为50nm作为后续实验结果的讨论。
为了验证两种算法结合方式的优越性，我们对比了算法优化过程中三种不同形态下的性能表现。图4(a)表示的初始状态结构由一个锥形波导以及分别由两对半径为1.5μm的90°圆弧拼接成的S形波导组成。图4(b)则表示的是经过第一次形状伴随优化后所得到的Y形分支耦合区域结构，其S形波导结构并没有发生改变。图4(c)是根据上一次形状伴随优化后的结果再次对S形波导进行形状伴随优化后所得到的结构。图4(d)-(f)分别表示了这三种结构在1900nm波长处的光场图，图4(g)表示了三种结构在1200-2000nm波长范围内的插入损耗对比结果，其中，初始结构的插入损耗均高于0.2dB，经过一次形状伴随优化后的所得到的中间态它在0.2dB变化范围内的带宽大约为400nm，经过两次形状伴随优化后所得到的Y形分支波导即使在不加入DBS算法优化的情况下它的带宽也有650nm。
直接二进制搜索算法(DBS)由于它的拓展性比较好以及制造工艺也相对容易，近年来一直是研究的热点。为了更好的限制光的漏光现象以及让器件的带宽性能进一步提升，也可以拓展为让器件在一定带宽波长范围内进一步降低损耗，本发明将弯曲波导区域划分成30×27个像素点，每个像素点的大小设置为100×100nm，根据FOM值的变化来决定每个像素点的状态是0还是1，因为单个像素点对不同的波长影响并不相同，通过仿真实验发现，对于透射率较高的波长处单个像素点的影响可以忽略不计，如果只是简单的将各个波长处的透射率均值作为FOM的衡量指标并不会对透射率较低的波长处有所提升，因此本发明在FOM的计算式中引入权重因子w。在具体的仿真实验中，将权重因子w设置为5，N＝15，M＝5。
将经过经过DBS优化前以及优化后的性能表现结果进行了对比，如图5所示，因为权重因子w主要赋值在1800-2000nm波长处，从图5(e)也能看出在1800-2000nm处引入DBS算法后的透射率得到了一定的提升。
最终经历过DBS的优化后就会得到一个带宽为700nm的超低损耗Y型分支波导器件，表1显示了本发明设计的器件与现有Y形分支光功率分束器的各项性能参数的比较。
表1.不同类型Y形分支功率分束器的对比
除此之外，为了验证整个算法的设计通用性，本发明设计并比较了四种不同尺寸弯曲波导的性能，如图6所示，这三种弯曲波导的尺寸分别为2μm×1.79μm，3μm×2.68μm，4μm×3.58μm，5μm×4.48μm。图6(i)对比了四种弯曲波导的不同表现性能，根据结果来看在1200-1800nm波长处四条不同颜色的曲线基本是重合的，这也就验证了本发明这种分阶段性的形状伴随优化算法的泛用性比较强。
为了验证本发明的设计方法在低损耗和超带宽方面的优越性，利用该设计方法级联仿真设计了一个1分4功分器件，如图7(a)所示，它在1550nm处的光场分布图如图7(b)所示，整个级联设计由两个区域组成，为了不让最终的输出波导间隔太近而产生串扰，将区域一中弯曲波导的尺寸设计为4μm×3.58μm，改变后的尺寸性能与原尺寸的性能几乎无差别。这也验证了本发明的设计方法的可拓展性很强。在区域一的两个输出端连接两个相同的Y形分支波导，它们的弯曲波导尺寸都为3μm×2.68μm，这两个弯曲波导连接着4个输出端口。4个输出端口的透射率曲线如图7(c)所示，其中浅黑色线段表示四个端口加起来的透射率，从1400-1900nm波段总的透射率在0.95以上，每个端口的透射率则在0.25上下徘徊，其中端口1和端口4的透射率曲线基本重合，端口2和端口3的透射率曲线基本重合。
总之，本发明利用了分阶段性的形状优化算法并结合DBS算法设计了一种具有超带宽、超低插损的Y形分支光功率分束器，在1200-1900nm范围内，整个器件的插入损耗变化范围只有0.2dB，涉及的频率带宽高达93THz，波长带宽高达700nm，这也是目前已知频率带宽和波长带宽最大的Y形分支功分器。本发明设计出的弯曲波导的性能各方面都要优于90°正常弯曲波导，此外，为了检验设备的可拓展性，本发明进行了1分4的级联仿真测试，级联的结果显示本发明的设备在1400-1900nm范围内仍然具有良好的性能，总的透射率保持在0.95以上，而各个端口的透射率则在0.25上下浮动。此外，本发明的算法简化了整个器件的设计过程，使其可加工性比较强，并且由于超带宽和损耗低较为紧凑的特性，它在未来的多光波段通信以及光子集成回路上有着巨大潜力。

Claims (6)

1.一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述Y形分支光功率分束器包括输入波导、Y形分支耦合区域、弯曲波导及周围像素点以及输出波导；所述方法包括以下步骤：
S1.在SOI平台上构建第一初始结构，所述第一初始结构由一个锥形波导和两个S形波导组成；
S2.对锥形波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的Y形分支耦合区域；
S3.构建第二初始结构，所述第二初始结构由步骤S2优化得到的Y形分支耦合区域和两条倾斜的直波导组成；
S4.对两条倾斜的直波导使用形状伴随优化算法进行迭代优化，得到优化后的弯曲波导；
S5.使用DBS算法对步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域进行优化，设置周围像素点；
所述步骤S1中，所述S形波导由两个半径为1.5μm的90°圆弧拼接成；
所述步骤S1中，所述锥形波导为对Y形分支耦合区域进行形状伴随优化前的初始结构，并且锥形波导的外边界由离散点组成的边所构成；将所述锥形波导的外边界的x坐标设置为30个等距节点，这些等距节点所对应的y坐标为要优化的目标，y坐标的优化范围设置为-1～1μm。
2.根据权利要求1所述的一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S2-1.首先对锥形波导进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-2.根据得到的梯度信息改变耦合优化区域的形状，并对改变形状后的耦合优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S2-3.重复步骤S2-2直至FOM值收敛，得到优化后的Y形分支耦合区域。
3.根据权利要求1所述的一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，两条倾斜的直波导为弯曲波导的初始优化结构，优化区域的尺寸设置为3μm×3μm，将两条倾斜的直波导的外边界的x坐标设置为50个等距节点，y坐标的优化范围设置为-2～2μm。
4.根据权利要求1所述的一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4-1.首先对两条倾斜的直波导进行前向和伴随仿真，求得弯曲波导优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-2.根据得到的梯度信息改变弯曲波导优化区域的形状，并对改变形状后的弯曲波导优化区域继续进行前向和伴随仿真，求得耦合优化区域的梯度信息并得到其FOM值；
S4-3.重复步骤S4-2直至FOM值收敛，得到优化后的弯曲波导。
5.根据权利要求1所述的一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S5-1.将步骤S4优化得到的弯曲波导周围区域划分成30×27个像素点，每个像素点的大小设置为100×100nm，并且像素点的初始状态全设置为“0”；状态“0”为空气，状态“1”为硅；
S5-2.对每一个像素点，改变其状态为“1”并计算状态改变后像素点的FOM值，若FOM值得到提升则保留当前状态，若FOM值没有提升则恢复原来的状态“0”。
6.根据权利要求5所述的一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法，其特征在于，所述步骤S5-2中，在FOM的计算式中引入权重因子w，FOM的计算式为：
式中，表示透射率较高处的波长的总透射率，表示透射率较低的波长的总透射率，T表示透射率，λi和λj都表示某一个具体的波长，i的取值为1,…,N，j的取值为1,…,M；N，M表示波长的数量。
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