一种任意分光比光分路器的实现方法

1.本发明属于光子芯片技术领域，设计了一种任意分光比光分路器的实现方法。


背景技术：

2.在过去的几十年，电子集成芯片在集成度、运算速度方面不断提升，其发展态势符合著名的摩尔定律。如今微处理器所集成的晶体管数量可达数百亿个，晶体管的栅极长度仅为35nm，时钟频率达3ghz。依照国际半导体技术路线图(itrs) 预测，到2020年，要满足芯片容量的增长需求，晶体管栅极长度要缩小至4.5nm，时钟频率达73ghz。此时，巨大的能耗和显著的信号延迟成为集成电路发展难以逾越的障碍，摩尔定律或将终止。如何解决这个战略性问题成为了当前国际研究的一大重点。光波作为信息载体,具有带宽高、功耗低、延迟小、抗干扰强和带负载能力强等优点，远胜于电互连。据估计，光互连的通信数据容量比电互连高 1000倍以上，其传输速度5-10倍，而其功耗仅为1/10左右。因此，光互连技术的发展将有望解决高速芯片之间和芯片上的带宽瓶颈问题，为实现大容量、高速率、低功耗的芯片间或芯片上互连奠定基础。
3.在对于光子芯片进行设计时，往往建立在mzi或mrr的相关原理来进行设计，芯片需要建立在复杂的器件基础上，通过逆向的设计方法，能够摆脱传统的设计方法和器件基础，并实现具有更为优良的性能光子芯片。通过这种方法，我们对传统的光分束器进行了逆向的重新设计，使其实现了更为出色的结构与性能。


技术实现要素：

4.在进行光子芯片的设计时，光的分束器结构具有十分重要的应用，是构成光子芯片的重要组成部分。
5.本发明提供了一种任意分光比光分路器的实现方法，利用计算机技术逆向设计具有非直观拓扑结构的光分束器，能够依据功率对特定波长的光实现特定的分光比。
6.相比于传统的分光器结构，本结构具有以下的特点：
7.(1)具有非直观的拓扑结构，结构非直观，且更为紧凑
8.(2)性能更为良好，能够实现很好的分束效果和较高的传输效率
9.本发明的一种任意分光比光分路器的实现方法包括以下步骤：
10.步骤1，输入波导连接芯片逆向设计区域的一端，该端为芯片逆向设计区域输入端，输出波导连接芯片逆向设计区域另一端，该端为芯片逆向设计区域输出端。
11.步骤2，通过输入波导向芯片逆向设计区域加载入射光，所述入射光与待分光的波长和功率相同。
12.步骤3，检测入射光的振幅，并利用该振幅将输入和输出光的振幅归一化处理。
13.步骤4，将归一化后的输出光的振幅作为变量，构造优化函数。
14.步骤5，通过模拟仿真，用数值方法调整芯片逆向设计区各处的相对介电常数；计算出优化函数的值，即归一化后的输出光的振幅。
15.步骤6，重复步骤5，最终得到适用于待分光信号的，具有特定分光比的光分束器。
16.进一步的，所述优化函数有尽可能少的极值点以避免出现局部的最优解，当取得目标的分光比时，该优化函数的取值为最大值或者极大值。
17.进一步的，所述模拟仿真的原理即梯度下降法，根据仿真得到的数据不断调整设计区域内的相对介电常数，得到满足特定分光比的最佳匹配条件。
18.进一步的，当目标分光比为0：1：1：1，四束光依次对应四个通道，第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；
19.设计优化函数和振幅的关系如下：
20.objfn＝transmit_1*transmit_2*transmit_3-transmit_4
21.其中objfn表征优化目标的函数，transmit_1表示第一通道投射光的振幅、 transmit_2表示第二通道投射光的振幅，transmit_3表示第三通道投射光的振幅，transmit_4表示第四通道投射光的振幅。
22.有益效果：通过控制优化函数的表征方式，就可以实现对于不同的分光比器件的设计。相比于传统的分光器的设计方法，这种设计方法不需要建立在十分复杂的光学器件基础上，且设计出的芯片往往具有非直观的拓扑结构，结构更加紧凑，性能更加出色，并且能够实现一些传统光分束器难以实现的特殊的分光比。
附图说明
23.图1是进行设计的基本流程。
24.图2是具体实施方式中所使用的结构基础图。
25.图3是实施例一中所得到的拓扑优化结构图。
26.图4是实施例一对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果图。
27.图5是实施例二所得到的拓扑优化结构图。
28.图6是实施例二对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果图。
29.图7是实施例三种所得到的拓扑优化结构。
30.图8是实施例三对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果。
具体实施方式
31.实施例一
32.图1是本发明进行设计的基本流程图，本发明的一种任意分光比光分路器的实现方法包括以下步骤：
33.步骤1，输入波导连接芯片逆向设计区域的一端，该端为芯片逆向设计区域输入端，输出波导连接芯片逆向设计区域另一端，该端为芯片逆向设计区域输出端。
34.步骤2，通过输入波导向芯片逆向设计区域加载入射光，所述入射光与待分光的波长和功率相同。
35.步骤3，检测入射光的振幅，并利用该振幅将输入和输出光的振幅归一化处理。
36.步骤4，将归一化后的输出光的振幅作为变量，构造优化函数。
37.步骤5，通过模拟仿真，用数值方法调整芯片逆向设计区各处的相对介电常数；计算出优化函数的值，即归一化后的输出光的振幅。
38.步骤6，重复步骤5，最终得到适用于待分光信号的，具有特定分光比的光分束器。
39.本实施例设计实现一种0：1：1：1的分光比的光分束器。
40.首先给出其优化区域和大致的几何形状，输入输出波导如图2，其中左侧为一个输入波导，右侧为四个输出波导，中间的正方形为优化设计的区域。将输出波导从下到上依次标号为1～4.为了实现目标的分光比，需要构造一个优化函数，使得其取到最大值的时候，第一通道、第二通道、第三通道、第四通道的振幅比为0：1：1：1；只需设计优化函数和振幅的关系如下即可：
41.objfn＝transmit_1*transmit_2*transmit_3-transmit_4
42.其中objfn表征优化目标的函数，transmit_1表示第一通道投射光的振幅、 transmit_2表示第二通道投射光的振幅，transmit_3表示第三通道投射光的振幅，transmit_4表示第四通道投射光的振幅。
43.将光源的波长设置为常用的1550nm，并使用梯度下降法进行迭代仿真，最终得到的拓扑结构和仿真效果如图3和图4,该芯片能够实现的具体的分光比与传输效率为：-》(port 1)＝32.67％
[0044]-》(port 2)＝32.92％
[0045]-》(port 3)＝32.68％
[0046]-》(port 4)＝0.03％
[0047]
total＝98.30897371851114％
[0048]
实施例二
[0049]
本实验样例实现一种1：1：4：4的分光比的光分束器。
[0050]
光分束器的结构基础与实施例一相同，不做改变主要通过更改优化函数的设计来实现这一分光比。光的波长设置和功率设置也不改变。
[0051]
在进行函数的设计时，考虑到过高的次数会导致较多的极点数量，影响优化设计的效果甚至无法得到目标的分光比。仍将输出波导从下到上一次标号为1～4，通过两部分约束优化函数。首先通过transmit_1*transmit_2和 transmit_3*transmit_4确保通道1和2的输出光的振幅相同，当 transmit_1*transmit_2和transmit_3*transmit_4取得最大值的时候 transmit_1＝transmit_2和transmit_3＝transmit_4，再通过 (transmit_1 transmit_2)*(transmit_3 transmit_4)*(transmit_3 transmit_ 4)来约束1、2通道光振幅的和与3、4通道光振幅和的关系为1：2，从而使得他们的功率关系为1：1：4：4。
[0052]
通过梯度下降法，利用该优化函数对拓扑结构进行优化，得到的拓扑结构如图5，进行光学仿真得到的结果如图6.最终得到的分光比和传输效率为：
[0053]-》(port 1)＝10.36％
[0054]-》(port 2)＝10.97％
[0055]-》(port 3)＝38.26％
[0056]-》(port 4)＝38.02％
[0057]
total＝97.60887924429915％
[0058]
实施例三
[0059]
本样例实现一种分光比更为复杂的光分束器，其实现的分光比大约为9：55： 9：55
[0060]
光分束器的结构基础仍与样例一保持一致同样采用波长1550nm的光作为光源，从
下到上依次将通道排序为1～4，设置优化函数为： (transmit_1 transmit_2)*(transmit_3 transmit_4)*(transmit_1 transmit_ 3) transmit_1*transmit_2 transmit_3*transmit_4
[0061]
观察可发现该函数的极值恰好满足目标的分光比，使用该函数进行逆向优化设计，最终得到其拓扑结构如图7，光学仿真结果如图8，实现的光传输效率与分光比为：-》(port 1)＝36.46％
[0062]-》(port 2)＝12.65％
[0063]-》(port 3)＝36.37％
[0064]-》(port 4)＝12.11％
[0065]
total transmission＝97.58016852678425％。