一种双模式功率分束器

1.本发明属于微纳光电子元器件技术领域，具体是涉及到一种基于多维度直接二进制搜索算法优化的双模式功率分束器。


背景技术：

2.光子集成电路(photonic integrated circuit,pic)为在芯片上实现大规模光互连提供了很有潜力的平台。模分复用(mode division multiplexing,mdm)技术可以通过多模式波导中的正交本征模式传输多通道的数据，是增加通信容量的有效手段。其中，支持多模式的功率分束器是模分复用系统必不可少的组成成分，它被广泛用于反馈电路、功率分束和功率监控等领域。
3.事实上，功率分束器很早就引起了研究者的兴趣，比如使用“y”分支模型设计的功率分束器，但是像这样依赖先验物理模型传统方法设计的器件，优化过程计算的参数空间较小，自由度较低，器件尺寸较大，难以应用于未来大规模的光子集成系统。
4.随着近年来微纳加工工艺的进步和计算机技术的发展，智能算法应运而生，不少基于算法设计的器件突破了传统思维的局限，实现了相比于传统器件更加优异的性能。2016年，luluzi lu等人用直接二进制搜索(direct binary search,dbs)算法设计和加工了尺寸仅有2.72μm
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2.72μm的功率分束器，但是这个器件仅仅支持te0模式运行。此后，在2018年和2020年，weijie chang和hucheng xie分别使用智能算法实现了支持双模式和三模式的小尺寸功率分束器，但是此器件输入和输出都是相同的模式，难以对不同模式监控和测试。
5.鉴于此，设计一种使用智能算法的多模式功率分束器，来监控和测试不同模式，对于模分复用系统具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对缺乏同时输出不同模式的功率分束器的现状，提供一种能实现以50：50的功率比分束输出，同时实现模式的转换，可广泛应用在模分复用系统的基于多维度直接二进制搜索(muli-dimension direct binary search,mdbs)算法的双模式功率分束器。
7.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种双模式功率分束器，包括衬底，所述衬底上设有顶层硅，顶层硅包括优化区，所述优化区的一端设置输入波导，另一端设置第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导和第二输出波导输出不同的模式，所述优化区被划分为n
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m个同等大小的正方形单元，通过调整所述正方形单元中心的状态，形成一个满足预定输出目标的非周期性打孔阵列，所述输出目标是指第一输出波导和第二输出波导的光功率的比值为50：50。
8.优选的，所述正方形单元中心的状态为打孔或不打孔。
9.优选的，所述正方形单元中心打孔包括打圆形孔或腰型孔。
10.优选的，所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述腰型孔的圆弧直径为90nm，腰型孔的直线边长为30nm，所述圆形孔的直径为90～120nm，所述输入波导的宽度为500nm。
11.优选的，所述优化区的尺寸为2520nm
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2520nm，输入波导中心线距离优化区上下边的距离分别为1060nm和1460nm，第一输出波导宽度为500nm，第二输出波导宽度为900nm。
12.优选的，所述优化区的尺寸为3300nm
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2400nm，输入波导中心线距离优化区上下边的距离分别为1450nm和1850nm，第一输出波导宽度为900nm，第二输出波导宽度为1300nm。
13.优选的，所述优化区正方形单元的尺寸为150nm
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150nm。
14.一种双模式功率分束器的制造方法，包括以下步骤：
15.步骤s1：在多维度直接二进制搜索算法中设置反映器性能的目标函数；
16.步骤s2：任意选择其中一个正方形单元为优化的起始点；
17.步骤s3：将所选择的正方形单元设置为不打孔状态，计算目标函数值；
18.步骤s4，将所选择的正方形单元中心设置为腰型孔，并以腰型孔的中心为原点改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，每一次改变旋转角度都计算一次目标函数值；
19.步骤s5，将所选择的正方形单元中心设置为圆形孔，并改变圆形孔直径大小，每一次改变大小都计算一次目标函数值；
20.步骤s6，对比所选择正方形单元的中心所有状态参数计算的目标函数值，选择最优值，并且将对应最优值的各维度参数设置成该正方形单元的最终形态；
21.步骤s7，选择下一个正方形单元，重复步骤s3～s6，当所有正方形单元遍历一次称为一次迭代，经多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止。
22.优选的，所述腰型孔以10
°
为步长改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，所述圆形孔的直径在90nm～120nm间，以10nm为步长改变其直径。
23.优选的，所述目标函数值为第一输出波导和第二输出波导在对应模式下的透过率之和。
24.本发明的有益效果是，多维度直接二进制搜索算法对初始结构中正方形单元多维度的参数进行优化，每个正方形单元的状态、形状、旋转角度和大小的参数由算法为满足目标函数而确定的，计算的自由度更高，能实现以近50：50的功率比分束输出，同时实现模式的转换，对模分复用系统中不同模式的监视和测量具有重要意义，可广泛应用在模分复用系统。
附图说明
25.图1为本发明其中一实施例的结构示意图。
26.图2为图1所示的顶层硅的结构示意图。
27.图3为正方形单元中心腰型孔的结构示意图。
28.图4为正方形单元中心圆形孔的结构示意图。
29.图5为图1所示的实施例的透射光谱。
30.图6为本发明另一实施例的结构示意图。
31.图7为图6所示的顶层硅的结构示意图。
32.图8为图6所示的实施例的透射光谱。
33.图9为直接二进制搜索算法设计的分束器结构示意图；图9(a)为圆形孔半径为45nm的器件，图9(b)为圆形孔半径为52.5nm的器件，图9(c)为圆形孔半径为60nm的器件，图9(d)为透射光谱。
34.在图中，10、衬底；20、顶层硅；1、输入波导；2、优化区；21、正方形单元；3、第一输出波导；4、第二输出波导。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
36.本发明提供的双模式功率分束器，包括衬底10，所述衬底10上设有顶层硅20，顶层硅20包括优化区2，所述优化区2的一端设置输入波导1，另一端设置第一输出波导3和第二输出波导4，所述第一输出波导3和第二输出波导4输出不同的模式，所述优化区2被划分为n
×
m个同等大小的正方形单元21，通过调整所述正方形单元21中心的状态，形成一个满足预定输出目标的非周期性打孔阵列，所述输出目标是指在1540nm～1560nm波长范围内，第一输出波导3和第二输出波导4的光功率的比值为50：50。
37.更具体的，所述正方形单元21中心的状态为打孔或不打孔。
38.更具体的，所述正方形单元21中心打孔包括打圆形孔或腰型孔。
39.更具体的，所述衬底10的厚度为3μm，顶层硅20的厚度为220nm，所述腰型孔的圆弧直径为90nm，腰型孔的直线边长为30nm，所述圆形孔的直径为90～120nm，所述输入波导1的宽度为500nm。
40.实施例一
41.请一并参阅图1～5，在本实施例中，双模式功率分束器为te0和te1双模式功率分束器，所述光学器件设计在绝缘体上硅(silicon on insulator,soi)平台，顶层硅20的厚度为220nm，衬底10二氧化硅的厚度为3μm，上包层为空气；输入波导1的宽度w1和第一输出波导3的宽度w6均为500nm，确保输入波导1和第一输出波导3可以无损耗的支持te0模式；第二输出波导4为te1模式输出波导，其宽度w7为900nm，确保第二输出波导4可以无损耗的支持te1模式；输入波导1中心线距离优化区2的上边的距离w2为1060nm，输入波导1中心线距离优化区2的下边的距离w3为1460nm，优化区2为正方形，边长w4为2520nm；智能算法相对于传统方法设计光学器件，可以提高优化自由度，更有利于设计小尺寸器件。使用多维度直接二进制搜索算法优化之前，优化区2被划分为16
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16个边长w5为150nm的正方形单元21；每个正方形单元具有两种状态，分别为正方形单元21中心位置打孔和不打孔，打孔的每个空气孔有相应的形状、旋转角度和大小；考虑到可加工性，空气孔的形状边缘应尽量光滑且无尖角，因此这里选择圆形孔和腰型孔。
42.多维度直接二进制搜索算法对空气孔多维度的参数进行优化，包括状态、形状、旋转角度和大小。所述状态参数是指填充状态，即正方形单元21中心位置打孔和不打孔；形状参数是指腰型孔或者圆形孔，腰型孔的圆弧直径d1为90nm，腰型孔的直线边长w
12
为30nm，腰型孔的深度为0～220nm；圆形孔的直径d2在90～120nm间，圆形孔的深度为0～220nm；旋转角度参数是指腰型孔以其中心点为轴心的旋转角度；大小参数是指圆形孔的直径大小；在
本实施例中，腰型孔的深度为220nm，圆形孔的深度为220nm。
43.每个空气孔的状态、形状、旋转角度和大小的参数由多维度直接二进制搜索算法为满足目标函数而确定的。在算法中设置反映器件性能的目标函数。
44.首先，任意选择一个正方形单元21，将其状态设置成不打孔，计算目标函数值，为了平衡时间成本和器件性能可以灵活地设置旋转角度步长和直径步长，这里旋转角度步长设置为10
°
，直径步长设置为10nm；
45.然后，将正方形单元21的中心位置设置成腰型孔，旋转180
°
，步长为10
°
，每一次改变旋转角度都计算一次目标函数值；
46.最后，将正方形单元21的中心位置设置成圆形孔，在90nm～120nm改变直径大小，步长为10nm，每一次改变大小都计算一次目标函数值。对比所有计算的目标函数值，选择最优值，并且将对应最优值的各维度参数设置成正方形单元的最终形态。
47.当所有正方形单元遍历一次称为一次迭代，经多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止。通过算法优化确定正方形单元多个维度的参数，包括状态、形状、旋转角度和大小，使计算的自由度更高，来调整优化区的折射率分布，进而实现器件的功能，即，te0模式光源注入输入波导1，经过优化区2转化为te0和te1模式，且以近50：50的功率比分别从第一输出波导3和第二输出波导4输出一个原模式和一个转换模式，不仅能同时均匀输出两个不同的模式，同时实现了模式的转换，对模分复用系统中不同模式的监视和测量具有重要意义。
48.实施例二
49.请参阅图6～9，本实施例提供的技术方案与实施例一基本相同，不同之处在于：双模式功率分束器为te1和te2双模式功率分束器，输入波导1的宽度w1为500nm，确保输入波导1可以无损耗的支持te0模式；第一输出波导3为te1模式输出波导，其宽度w7为900nm，确保第一输出波导3可以无损耗的支持te1模式；第二输出波导4为te2模式输出波导，其宽度w
13
为1300nm，确保第二输出波导4可以无损耗的支持te2模式；输入波导1中心线距离优化区2的上边的距离w8为1450nm，输入波导1中心线距离优化区2的下边的距离w9为1850nm，优化区2为矩形，边长w
10
为3300nm，边长w
11
为2400nm；优化区2被划分为16
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22个边长w5为150nm的正方形单元21；te0模式光源注入输入波导1，经过优化区2转化为te1和te2模式，且以近50：50的功率比分别从第一输出波导3和第二输出波导4输出两个不同的模式，可以广泛应用在模分复用系统。
50.本发明还提供一种双模式功率分束器的制造方法，具体的优化步骤如下：
51.步骤s1：在多维度直接二进制搜索算法中设置反映器性能的目标函数；
52.优化te0和te1双模式功率分束器的目标函数：式中，为自1540nm到1560nm波段te0模式的透过率；为自1540nm到1560nm波段te1模式的透过率。
53.优化te1和te2双模式功率分束器的目标函数：式中，为自1540nm到1560nm波段te1模式的透过率；为自1540nm到1560nm波段te2模式的透
过率。
54.步骤s2：任意选择其中一个正方形单元为优化的起始点。一般选择第一行的第一个正方形单元作为起始点，这样便于按顺序依次搜索。
55.步骤s3：将所选择的正方形单元设置为不打孔状态，计算目标函数值。
56.步骤s4：将所选择的正方形单元中心设置为腰型孔，并以10
°
为步长改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，每一次改变旋转角度都计算一次目标函数值。
57.步骤s5：将所选择的正方形单元中心设置为圆形孔，并在90nm到120nm间，以10nm为步长改变其直径，每一次改变大小都计算一次目标函数值。
58.步骤s6：对比所有计算的目标函数值，选择最优值，并且将对应最优值的各维度参数设置成正方形单元的最终形态。
59.步骤s7：按着横向或者纵向依次选择下一个正方形单元，重复s3～s6步骤。
60.当所有单元遍历一次称为一次迭代，经多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止。通过算法优化确定正方形单元多个维度的参数，包括状态、形状、旋转角度和大小，来调整优化区的折射率分布，进而实现器件的功能。
61.经过算法优化后，器件具有较好的性能。图5为te0和te1双模式功率分束器的仿真结果，在1540nm到1560nm的带宽范围内，第一输出波导3中te0模式的插入损耗(insertion loss,il)小于3.2db；第二输出波导4中te1模式的插入损耗(insertion loss,il)小于3.2db，第二输出波导4中te0模式的串扰(crosstalk,ct)低于-25.7db。图8为te1和te2双模式功率分束器的仿真结果，在1540nm到1560nm的带宽范围内，第一输出波导3中te1模式的插入损耗小于3.3db，第一输出波导3中te0模式的串扰低于-37.4db。第二输出波导4中te2模式的插入损耗小于3.4db，第二输出波导4中te0和te1模式的串扰低于-21.9db。并且本发明的两个器件期望输出模式的损耗曲线几乎重合，透过率接近50：50，实现了功率的均分。
62.现有技术使用的直接二进制搜索算法仅仅是优化区划分正方形单元的状态进行搜索，即判断正方形单元中心位置打孔或者不打孔，本发明所使用的多维度直接二进制搜索算法，除了搜索状态外，增加了对形状、大小和旋转角度的搜索，使得算法计算的自由度更高。
63.具体可以分别使用直接二进制搜索算法和多维度直接二进制搜索算法分别对相同器件进行优化对比。在于实施例一其他条件相同的基础上，如图9(a)～图9(c)是用直接二进制搜索算法设计的圆形孔半径分别为45nm、52.5nm、60nm的器件，图9(d)是其仿真结果，可以看出半径为52.5nm的器件性能较好，在第一输出波导3中te0模式的入损耗小于3.7db，第二输出波导4中te1模式的插入损耗小于3.6db。
64.我们可用本发明采用的多维度直接二进制搜索算法设计的器件与图9(d)比较。本发明第一输出波导3中te0模式的插入损耗小于3.2db，第二输出波导4中te1模式的插入损耗小于3.2db，总体性能比直接二进制搜索算法设计的器件性能提高近10％，并且第二输出波导4中te0模式的串扰为-25.7db也比直接二进制搜索算法设计器件第二输出波导4中te0模式的串扰(-18.2db)低很多。因此，本发明所使用的多维度直接二进制搜索算法计算的自由度更高，可设计性能更优异的微纳光子器件。
65.以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。