一种波导光栅耦合器的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种波导光栅耦合器的设计方法，其包括以下步骤：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域；对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；确定迭代的优化条件；对器件载体上的各像素条的结构依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条的结构按网格划分进行查找，通过有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。采用本发明专利技术的技术方案，采用自动化的反向设计方法，设计方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本，可以增加设计的自由度。

A design method of waveguide grating coupler

The invention provides a method for designing a waveguide grating coupler, which comprises the following steps: determining the device function, input function structure of regional requirements, requirements and output device, then the device carrier grid is divided into several pixel area; iteration before the initialization of the structure of the device carrier mesh after determination; the optimization conditions of iterations; sequentially iteration of the device on the carrier of each pixel in a structure, in each iteration of the first pixel structure according to the grid search method to calculate each iteration results by finite difference time domain, and the iterative optimization conditions to judge, if the structure of the search performance. Then the structure parameters to improve, update, in this iteration otherwise, the iteration period structure. Adopting the technical scheme of the invention and adopting the automatic reverse design method, the design method is simple, which reduces the design cycle, reduces the manpower cost of the design, and increases the degree of freedom of the design.

【技术实现步骤摘要】
一种波导光栅耦合器的设计方法
本专利技术属于集成硅光子学
，尤其涉及一种波导光栅耦合器的设计方法。
技术介绍
半个多世纪前，硅材料使微电子的发展取得了巨大的成功，化合物半导体也紧随其后推动着光通信的发展。随着这两个行业的迅猛发展，它们已经逐渐融合并形成了以光电集成为代表的交叉领域。但化合物半导体与CMOS工艺间的巨大的不兼容性却并未消除，为此硅光子学便应运而生。随着硅光子学的发展，低成本、高性能、高集成度的光器件是重要的发展方向。对于硅基光子集成芯片而言，不容忽视的一个关键问题是光信号的输入与输出尤其是硅作为间接带隙材料，发光效率还未能达到实用要求，现有技术手段需要从光子芯片外部引入独立光源或采用片上混合集成的光增益材料。光栅耦合器是一种可行的片上引入引出光源的无源器件。因此，光子集成芯片在片内和片外都需要高效率、大带宽、易集成、易于封装的光耦合结构。光栅耦合器利用片上光波导的衍射实现光信号输入或输出芯片，具有易于在线片上测试、不需要晶圆或芯片预处理、也没有严格的空间限制等优点，成为硅基光子集成领域的研究热点。但是，光栅耦合器目前存在一些问题，垂直耦合的光栅耦合器由于耦合光纤与光栅垂直，所以比其他角度的光栅耦合器更易于封装，但是由于二阶布拉格反射导致背向反射增大，限制了光栅耦合器的效率。为了克服这个问题，闪烁光栅结构，啁啾光栅结构伪随机多狭缝光栅结构用来克服二阶布拉格反射，来提高耦合效率，但是这些方法是以设计原理为出发点设计，增加了设计成本。而偏振不相关光栅耦合器由于不同偏振光的折射率的很大的不同导致设计难度很大，设计复杂器件需要消耗大量的时间人力成本。鉴于一些复杂的器件的设计需要大量的设计时间和人力成本，那么人们需要一种自动化的器件设计方法，在保证达到器件指标的基础上，不但可以减少人工成本，减少设计时间，从而节约设计成本，而且可以增加器件设计的自由度，实现一些设计比较困难的器件。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种波导光栅耦合器的设计方法，实现自动化设计，方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种波导光栅耦合器的设计方法，其包括以下步骤：步骤S1：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域，其中，所述器件为待设计的波导光栅耦合器；步骤S2：对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；步骤S3：确定迭代的优化条件；不同的器件的结构和功能有不同的需要优化的性能参数，确定优化条件来满足器件的性能要求；步骤S4：对器件载体上的各像素条的结构依照网格划分依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条结构按网格划分进行查找，通过电磁场的有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么期间结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。经过一定次数的迭代，直到达到器件需要的性能指标。其中，所述期间结构为此次迭代判断之后得到结果的过程。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，所述初始化为对结构进行随机化的划分，或对网格进行归一化的划分。其中，初始化的具体原则根据具体器件的情况具体分析。随机化的初始化属于一种全局初始化，归一化的初始化属于局部优化。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述网格划分的精细程度根据制备工艺条件而定。作为本专利技术的进一步改进，所述的像素条区域依照网格划分为8或4等分的随机厚度。作为本专利技术的进一步改进，整个划分和迭代的过程采用多阶随机查找算法。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述网格划分的精细程度根据制备工艺条件而定。在理论上网格划分的越细，器件的设计目标就越好，但是所需要花费的时间也越长对制备工艺的条件要求也就越高。所以网格的选取原则应该在制备工艺条件允许的情况下进行划分。作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述迭代的优化条件包括输出端的输出参数、不同输出端的输出参数的比例关系。作为本专利技术的进一步改进，所述波导光栅耦合器为垂直耦合的光栅耦合器时，所述迭代的优化条件为每次迭代时计算的耦合效率提高；所述迭代的优化条件为每次迭代时计算的TE和TM的耦合效率提高并且TE和TM输出光的耦合效率的比例相对于器件的目标比例误差减小，经过一定次数的迭代后比例收敛于1。作为本专利技术的进一步改进，所述结构为网格的高度，即各像素条的厚度。本专利技术的技术方案，基于电磁场的有限时域差分算法，先将器件的主要功能结构区域进行网格划分成成若干像素条区域，然后利用多阶随机查找算法对器件进行反向设计，通过在优化条件下对器件进行迭代优化得到最终的器件想要实现的功能。本专利技术能够实现集成硅光子无源器件的自动化反向设计，在保证实现器件功能的前提下极大提高了器件的设计效率，降低器件设计的人力和时间成本。通过已知器件想要实现的功能，反向优化出器件的结构。本专利技术的片上无源器件的反向设计，满足了各种不同性能指标的波导光栅耦合器，包括偏振不相关光栅耦合器，垂直耦合光栅耦合器以及其他等片上波导无源器件和其他材料的波导光栅耦合均适用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：第一，采用本专利技术的技术方案，采用自动化的反向设计方法，设计方法简单，降低了设计周期，减少设计的人力成本；可以通过计算机自动优化光栅耦合器的参数。第二，采用本专利技术的技术方案，可以增加设计的自由度，克服布拉格二阶反射和衬底的泄露，实现任意角度的超高耦合效率的光栅耦合器的设计，比如垂直耦合光栅耦合器。第三，采用本专利技术的技术方案，可实现同时优化多个光栅耦合器的性能指标，克服由于不同波长和偏振同时耦合的困难，实现不同耦合角度，不同波长的同时耦合的复杂结构，例如偏振不相关的光栅耦合器，实现了不同偏振在同一个结构的耦合，而且耦合性能较好。本专利技术的技术方案适用于垂直耦合的波导光栅耦合器、偏振不相关波导光栅耦合器等无源器件的设计。附图说明图1是本专利技术反向设计光栅耦合器的原理示意图。其中，（a）为光栅耦合器件结构的俯视图，（b）为光栅耦合器结构的垂直方向的截面图。图2是本专利技术实施例1的4阶和8阶的垂直耦合的波导光栅耦合器的设计结构示意图，其中（a）为4阶的垂直耦合的波导光栅耦合器的结构示意图，（b）为8阶的垂直耦合的波导光栅耦合器的结构示意图。图3为实施例1的仿真结果图。其中，(a)为波导中的光经过光栅衍射向衬底的能量，（b）为波导中的光经过光栅背向反射回波导中的光的能量，（c）为波导中的光通过光栅衍射耦合进单模光纤模场的耦合效率。图4为本专利技术实施例1的4阶与8阶网格划分下通过有限时域差分法计算的光栅的衍射的场分布图。图5是本专利技术实施例2的偏振不相关波导光栅耦合器的设计结构示意图。图6是本专利技术实施例2的仿真结果图。其中，(a)为波导中的光经过光栅衍射向衬底的能量，（b）为波导中的光经过光栅背向反射回波导中的光的能量，（c）为左为波导中的光通过光栅衍射耦合进单模光纤模场的耦合效率。图7是本专利技术实施例2的TE和TM模式的光经过光栅衍射的场分布图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。实施例1按照以下步骤进行垂直耦合的硅波导光栅耦合器的设计。步骤S1：我们在二氧化硅为3μm的绝缘体上、硅厚度为340nm的结构上设计器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤S1：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域，其中，所述器件为待设计的波导光栅耦合器；步骤S2：对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；步骤S3：确定迭代的优化条件；步骤S4：对器件载体上的各像素条的结构依照网格划分依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条的结构按网格划分进行查找，通过电磁场的有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么期间结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。

【技术特征摘要】
1.一种波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤S1：确定器件的功能、输入要求、输出要求和器件的功能结构区域，然后对器件载体进行网格划分成若干像素条区域，其中，所述器件为待设计的波导光栅耦合器；步骤S2：对器件载体网格划分后的结构进行迭代前的初始化；步骤S3：确定迭代的优化条件；步骤S4：对器件载体上的各像素条的结构依照网格划分依次进行迭代，在每次迭代过程中首先对像素条的结构按网格划分进行查找，通过电磁场的有限时域差分法计算每次的迭代结果，并利用迭代优化条件进行判断，若此次查找的结构使性能参数提高，那么期间结构在本次迭代中更新，否则，此次迭代期间结构不变。2.根据权利要求1所述的波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S2中，所述初始化为对结构进行随机化的划分，或对网格进行归一化的划分。3.根据权利要求1所述的波导光栅耦合器的设计方法，其特征在于：步骤S1中，所述网格划分的精细程度根据制备工艺条...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科，文翔，宋清海，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44