[发明专利]一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法

权利要求书

1.一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设计光耦合器的初始结构为从左到右依次包括一个输入波导、一个连接输入和输出波导的耦合器以及两个输出波导；

(2)建立平面坐标系，在所述的连接输入和输出波导的耦合器上、下边界处各插入若干个离散边界优化点x；

(3)定义品质因数表示为两个输出波导处的横电基模的归一化功率之和，如下所示：FOM＝∑FOM_i(i＝1,2)，其中FOM₁和FOM₂相应别为上下两个输出波导横截面S处的横电基模(TE₀)的归一化功率，在软件中直接测得；

(4)将光从输入波导沿x轴传输至上、下两个输出波导，利用三维时域有限差分法对耦合器进行第一次正向传输模拟，能够得到优化点x处光场E^old(x)；

(5)将输入波导处的初始光源置于上方输出波导沿y轴的横截面S上，逆向传输至优化点x，利用三维时域有限差分法对耦合器进行第二次逆向传输模拟，得到优化点x处的光场E₁^adj(x)；将输入波导处的初始光源置于下方输出波导沿y轴的横截面S上，逆向传输至优化点x，利用三维时域有限差分法对耦合器进行第三次的逆向传输模拟，得到优化点x处的光场E₂^adj(x)；

(6)根据三次的模拟结果，计算耦合器上、下两个输出端口对应的品质因数变化ΔFOM₁和ΔFOM₂，通过分析得到ΔFOM₁和ΔFOM₂与所有边界优化点x的关系，计算公式如下：ΔFOM₁＝Δε(x)E^old(x)E₁^adj(x)，ΔFOM₂＝Δε(x)E^old(x)E₂^adj(x)，其中Δε(x)是优化点x在y轴上的位置发生变化后引起的介电常数的微小变化；E^old(x)是第一次正向传输模拟时得到的优化点x处光场；E₁^adj(x)是第二次逆向传输模拟时，光源在上方输出波导逆向传输至优化点x处的场；E₂^adj(x)是第三次逆向传输模拟时，光源在下方输出波导逆向传输至优化点x处的场；

(7)通过不断地调整优化点x在y轴方向上的位置来对耦合器进行边界形状优化，具体为在Python编程语言中，利用步骤(6)计算公式对若干个边界优化点x在y轴上的位置进行迭代计算，直至相邻两次迭代间ΔFOM₁和ΔFOM₂均小于1×10^-5，且上下两个输出端口对应的品质因数FOM₁和FOM₂之比达到所需分光比的光耦合器，总品质因数FOM趋近于1，即获得所需分光比的光耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中的光耦合器位于包层内部，被所述的包层完全包裹住，所述的包层的材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中的输入波导、连接输入波导和输出波导的耦合器以及两个输出波导的材料均为硅，两个输出波导的宽度相等且两个输出波导的长度相等。

4.根据权利要求1所述的一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，其特征在于：所述的输入波导和所述的输出波导的宽度均为500nm，上下两个所述的输出波导之间的间隙为1μm，所述的输入波导、所述的输出波导和所述的耦合器的厚度均为220nm。

5.一种权利要求1所述的设计方法设计的分光比为1:2光耦合器。

6.一种权利要求1所述的设计方法设计的分光比为1:4光耦合器。

7.一种权利要求1所述的设计方法设计的分光比为1:8光耦合器。