一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。高带宽的Y形分支光功率分束器。高带宽的Y形分支光功率分束器。

【技术实现步骤摘要】
一种Y形分支光功率分束器的分阶段反向设计方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的内容包括：
[0006]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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]进一步的，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0020]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；
[0021]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；
[0022]S4
‑
3.重复步骤S4
‑
2直至FOM值收敛，得到优化后的弯曲波导。
[0023]进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：
[0024]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；
[0025]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”。
[0026]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：
[0027][0028]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，λ
i
和λ
j
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。
[0029]本专利技术的有益效果是：
[0030]本专利技术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，本专利技术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
[0031]图1是本专利技术设计的Y形分支光功率分束器的原理图；
[0032]图2是本专利技术的算法流程与优化过程具体示意图；
[0033]图3是五种不同间隙大小的透射率对比图；
[0034]图4是经过DBS优化前以及优化后的性能表现对比图；
[0035]图5是四种不同尺寸弯曲波导的性能对比图；
[0036]图6是不同尺寸弯曲波导的光场图以及性能比较图；
[0037]图7是利用本专利技术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
[0038]为便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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S1中，所述S形波导由两个半径为1.5μm的90
°
圆弧拼接成。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。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。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S3中，两条倾斜的直波导为弯曲波导的初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊波，王志成，吴加贵，张煜青，吴钇麓，胡钰棋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：