[发明专利]一种1×N分波/合波器优化方法

说明书

本发明公开了一种1×N分波/合波器优化方法，包括：步骤1确定1×N分波/合波器的性能要求、尺寸要求和工艺条件，步骤2用有限元法进行模式分析，确定输入、输出波导的宽度和矩形耦合区域的初始宽度，从几何库中选择可用刻蚀基元的形状及尺寸，步骤3确定矩形耦合区域的优化尺寸参数和优化次数，分别对各优化尺寸参数下的矩形耦合区域进行优化，然后计算波谱目标函数的值，将波谱目标函数值最小的优化尺寸参数作为矩形耦合区域的尺寸参数，步骤4根据可用刻蚀基元的形状及尺寸，将矩形耦合区域划分为若干个正方形网格，在矩形耦合区域上按照由右向左、由中间向两边的方式确定每个正方形网格的处理方案，最终确定矩形耦合区域的几何结构。

技术领域

本发明属于光子器件设计领域，涉及一种1×N分波/合波器优化方法。

背景技术

传统的光子器件包括定向耦合器，多模干涉耦合器，分布布拉格反射器，微环谐振器和光栅耦合器等。目前这些光子器件绝大部分根据设计者的专业知识和直觉手动设计，能够调整的参数空间较小，并且无法进行大规模的自动化设计。

现有的用于光子器件设计的优化算法有遗传算法，粒子群算法和水平集算法，这些优化算法主要的作用为对于现有结构进行微调，而无法取代设计者进行结构设计。

为扩大设计的参数空间，一种逆向设计的方法被提出，这种方法的提出者宣称可以将其应用于几乎所有线性光子器件，并且将结构设计扩展到了全参数空间。基于这种方法已经实现了空间波导的耦合器以及片上的波分复用器和偏振分束器。然而，逆向设计方法生成的结构非常复杂，硅基底上有许多形状不规则的空气孔，对于生产工艺的精度要求很高。

发明内容

技术问题：本发明提供一种1×N分波/合波器优化方法，能够根据使用者对于分波/合波器的性能要求，设计分波/合波器的几何结构，调整结构参数从而优化分波/合波器性能，最终得到分波/合波器的尺寸参数和几何结构。

技术方案：本发明的1×N分波/合波器优化方法，包括以下步骤：

步骤1确定1×N分波/合波器的性能要求、尺寸要求和工艺条件，所述性能要求为在N个工作波长λ₁～λ_N下，输入到输入端口的功率为单位功率时，输出到输出端口p(p＝1，2，3，…，N)的目标功率为N个，即为a_p1，a_p2，a_p3，…，a_pN，取值均在[0，1]之间，且(q＝1，2，3，…，N)；所述尺寸要求为矩形耦合区域的最大尺寸，包括矩形耦合区域的最大长度L_max和最大宽度W_max；所述工艺条件包含两部分，第一部分是波导各部分的折射率，包括衬底折射率n_s，芯层折射率n_o和包层折射率n_c，所述芯层折射率大于衬底折射率和包层折射率，即n_o＞n_s且n_o＞n_c，第二部分是刻蚀工艺的特征尺寸，包括最小刻蚀精度d_min和最小刻蚀直径D_min，

步骤2根据所述工艺条件中波导各部分的折射率，用有限元法进行模式分析，确定1×N分波/合波器中输入波导、输出波导的宽度W和矩形耦合区域的初始宽度W₀，根据工艺条件中刻蚀工艺的特征尺寸，从几何库中选择可用刻蚀基元的形状及尺寸，

步骤3首先确定矩形耦合区域的优化尺寸参数和优化次数，所述优化尺寸参数包括矩形耦合区域的长度和宽度；

然后按照以下方法分别对各优化尺寸参数下的矩形耦合区域进行优化：调用三维全矢量束传播法或时域有限差分法对由输入波导、矩形耦合区域、输出波导构成的1×N分波/合波器结构进行传输分析，得到输出到输出端口1和输出端口2的实际功率，然后计算波谱目标函数的值，将波谱目标函数值最小的优化尺寸参数作为矩形耦合区域的尺寸参数；