[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

说明书

本发明公开了一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，特点是包括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并在耦合器上、下边界处各插入若干个离散边界优化点x的步骤；利用耦合器上、下两个输出端口对应的品质因数变化值与边界优化点x的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ΔFOMsubgt;1/subgt;和ΔFOMsubgt;2/subgt;均小于1×10supgt;‑5/supgt;，且上下两个输出端口对应的品质因数之比达到所需分光比的光耦合器，总FOM趋近于1，优点是耗时短、设计效率高且设计复杂度相对较低，设计的光耦合器具有尺寸小、损耗低和工作宽带大的良好性能。

技术领域

本发明属于集成硅光子技术及器件领域，更具体地涉及一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法及设计的光耦合器。

背景技术

光子集成技术的高速发展催生了众多热点研究领域，如光学互连、片上光测量和光学计算等。基于绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)平台因其高集成密度以及CMOS工艺兼容等特性，是实现光子集成环路的理想平台，备受科研界和产业界的关注。在该平台的诸多集成光学器件中，光耦合器是一种最基础和最关键的元器件，用于实现光信号路由、功率分配和耦合控制等。目前，大部分的光耦合器被设计为均匀分光；然而，灵活的功率分配方式可以有效减少系统复杂度，并促使光子环路满足更多特定需求，如功率分配、无源光网络和信号监测等。因此，研究任意分光比的光耦合器设计具有重要的意义。目前，传统的设计方案主要有以下几种：(1)基于多模干涉耦合器(Multimode interference，MMI)结构；(2)基于定向耦合器(Directional coupler，DC)；(3)基于Y分支(Y-junction)。然而以上设计方案通常依赖于设计人员的经验，需要在结构设计和参数优化上耗费大量时间。此外，当设计目标(分光比)发生变化时，往往需要针对结构重新设计和优化，大量的重复性工作致使设计效率较低。综上，本领域亟需一种任意分光比光耦合器的设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耗时短、设计效率高且设计复杂度相对较低的基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，并提供上述设计方法所设计的分光比分别为1:2、1:4和1:8的三种光耦合器，该光耦合器具有尺寸小、损耗低和工作宽带大的良好性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于边界逆设计的任意分光比光耦合器的设计方法，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(TE₀)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(finite-difference time-domain，FDTD)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x处的光场E₂^adj(x)；