[发明专利]光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器

说明书

本发明涉及一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，包括：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；根据光功率分束器不同的光功率分配比和多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状；本发明还涉及一种光功率分束器；本发明采用伴随形状优化法多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状，并通过样条插值法定义锥形波导区的几何形状，避免生成需要小特征尺寸的尖锐角结构。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，特别是涉及一种光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器。

背景技术

近年来，随着绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)技术的发展，硅基光子学逐渐引起人们关注。它的优势在于硅材料具有其他材料无法比拟的低成本和高质量，硅光器件制作过程与商用成熟的CMOS工艺兼容，有助于大规模高质量生产，并且为实现光电器件单片集成提供可能。另一方面，波导芯层硅材料(n＝3.476)与包层二氧化硅材料(n＝1.455)具有大的折射率差，这种高折射率对比大大增强了波导的光场限制能力，有助于降低光波导的尺寸，提高器件集成度。而且，硅材料在近红外通信波段的光吸收极小，使得器件具有非常低的光传输损耗。

功率分配器作为光子集成电路的基本组成部分之一，被广泛应用于波分复用、信号反馈、信号监控和功率分配等光电路中。对于这些应用来说，任意的光功率分配比是很重要的。近十年来，出现了一系列的光功率分束结构。定向耦合器作为光子系统中最常用的光功率分配方法之一，可以获得任意的光功率分配比，但通常存在波长敏感性。与定向耦合器不同，传统的多模干涉仪在更宽的带宽中表现良好，但它表现出不可忽视的附加损耗。为了实现任意光功率分配比的功能，同时使其在宽频带内表现良好，有人提出了非对称多模干涉仪。然而，由于尖角造成的小特征尺寸使得这些非对称多模干涉仪对制造误差有较低的容错，同时具有相对较高的附加损耗。

虽然上述功率分配器可以达到部分性能要求，但上述光功率分配器仍难以同时满足紧凑、波长不敏感、低损耗和兼容CMOS标准制造工艺的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器，设计出的光功率分束器结构紧凑、附加损耗低，并且器件的功率分配比与波长无关。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光功率分束器的锥形波导区设计方法，包括：

步骤(1)：将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点；

步骤(2)：根据光功率分束器不同的光功率分配比，以多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，对所述若干个几何参数点进行多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状；

步骤(3)：根据光功率分束器不同的光功率分配比和所述多个预设波长点的传输效率，确定所述锥形波导区的最终二维几何形状。

所述步骤(1)中将锥形波导区的初始二维几何形状数字化为若干个几何参数点时，还包括：每个几何参数点的横坐标恒定且间隔相等。

所述步骤(2)具体为：根据光功率分束器不同的光功率分配比，将多个预设波长点的传输效率作为目标优化函数，通过伴随形状优化法计算每个几何参数点的形状导数，并通过多次迭代来优化锥形波导区的初始二维几何形状。

所述步骤(2)中的多个预设波长点为多个波长范围在1300nm-1800nm的波长点。

所述步骤(2)和步骤(3)中光功率分束器不同的光功率分配比包括：5：5、6：4、7：3、8：2或9：1。

所述步骤(3)中确定所述锥形波导区的最终二维几何形状，具体为：通过样条插值法将所述若干个几何参数点连起来得到锥形波导区的最终二维几何形状。