一种任意分光比光分路器的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种进行任意分光比光分路器的实现方法，设计方法的步骤依次为给出优化设计的大致区域和输入输出波导；将满足设计要求的光从对应的输入波导输入；在输出波导处监控并测量输出的光的强度；设计优化函数，对目标的分光比进行量化的表征；利用梯度下降法对设计区域内的几何参数，包括形状和相对介电常数进行调整；不断优化使得优化函数取值达到最大从而实现目标的分光比。本发明专利技术通过数值计算的方法，结合现有的计算技术和仿真技术，能够设计出具有复杂拓扑结构的特定分光比的光分束器，相比于传统的光分束器，其能够实现一些比较复杂的分光比，同时具有更为紧凑的非直观结构，性能更为出色，面积更小。面积更小。面积更小。

【技术实现步骤摘要】
一种任意分光比光分路器的实现方法


[0001]本专利技术属于光子芯片
，设计了一种任意分光比光分路器的实现方法。

技术介绍

[0002]在过去的几十年，电子集成芯片在集成度、运算速度方面不断提升，其发展态势符合著名的摩尔定律。如今微处理器所集成的晶体管数量可达数百亿个，晶体管的栅极长度仅为35nm，时钟频率达3GHz。依照国际半导体技术路线图(ITRS) 预测，到2020年，要满足芯片容量的增长需求，晶体管栅极长度要缩小至4.5nm，时钟频率达73GHz。此时，巨大的能耗和显著的信号延迟成为集成电路发展难以逾越的障碍，摩尔定律或将终止。如何解决这个战略性问题成为了当前国际研究的一大重点。光波作为信息载体,具有带宽高、功耗低、延迟小、抗干扰强和带负载能力强等优点，远胜于电互连。据估计，光互连的通信数据容量比电互连高 1000倍以上，其传输速度5
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10倍，而其功耗仅为1/10左右。因此，光互连技术的发展将有望解决高速芯片之间和芯片上的带宽瓶颈问题，为实现大容量、高速率、低功耗的芯片间或芯片上互连奠定基础。
[0003]在对于光子芯片进行设计时，往往建立在MZI或MRR的相关原理来进行设计，芯片需要建立在复杂的器件基础上，通过逆向的设计方法，能够摆脱传统的设计方法和器件基础，并实现具有更为优良的性能光子芯片。通过这种方法，我们对传统的光分束器进行了逆向的重新设计，使其实现了更为出色的结构与性能。

技术实现思路

[0004]在进行光子芯片的设计时，光的分束器结构具有十分重要的应用，是构成光子芯片的重要组成部分。
[0005]本专利技术提供了一种任意分光比光分路器的实现方法，利用计算机技术逆向设计具有非直观拓扑结构的光分束器，能够依据功率对特定波长的光实现特定的分光比。
[0006]相比于传统的分光器结构，本结构具有以下的特点：
[0007](1)具有非直观的拓扑结构，结构非直观，且更为紧凑
[0008](2)性能更为良好，能够实现很好的分束效果和较高的传输效率
[0009]本专利技术的一种任意分光比光分路器的实现方法包括以下步骤：
[0010]步骤1，输入波导连接芯片逆向设计区域的一端，该端为芯片逆向设计区域输入端，输出波导连接芯片逆向设计区域另一端，该端为芯片逆向设计区域输出端。
[0011]步骤2，通过输入波导向芯片逆向设计区域加载入射光，所述入射光与待分光的波长和功率相同。
[0012]步骤3，检测入射光的振幅，并利用该振幅将输入和输出光的振幅归一化处理。
[0013]步骤4，将归一化后的输出光的振幅作为变量，构造优化函数。
[0014]步骤5，通过模拟仿真，用数值方法调整芯片逆向设计区各处的相对介电常数；计算出优化函数的值，即归一化后的输出光的振幅。
[0015]步骤6，重复步骤5，最终得到适用于待分光信号的，具有特定分光比的光分束器。
[0016]进一步的，所述优化函数有尽可能少的极值点以避免出现局部的最优解，当取得目标的分光比时，该优化函数的取值为最大值或者极大值。
[0017]进一步的，所述模拟仿真的原理即梯度下降法，根据仿真得到的数据不断调整设计区域内的相对介电常数，得到满足特定分光比的最佳匹配条件。
[0018]进一步的，当目标分光比为0：1：1：1，四束光依次对应四个通道，第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；
[0019]设计优化函数和振幅的关系如下：
[0020]objfn＝transmit_1*transmit_2*transmit_3
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transmit_4
[0021]其中objfn表征优化目标的函数，transmit_1表示第一通道投射光的振幅、 transmit_2表示第二通道投射光的振幅，transmit_3表示第三通道投射光的振幅，transmit_4表示第四通道投射光的振幅。
[0022]有益效果：通过控制优化函数的表征方式，就可以实现对于不同的分光比器件的设计。相比于传统的分光器的设计方法，这种设计方法不需要建立在十分复杂的光学器件基础上，且设计出的芯片往往具有非直观的拓扑结构，结构更加紧凑，性能更加出色，并且能够实现一些传统光分束器难以实现的特殊的分光比。
附图说明
[0023]图1是进行设计的基本流程。
[0024]图2是具体实施方式中所使用的结构基础图。
[0025]图3是实施例一中所得到的拓扑优化结构图。
[0026]图4是实施例一对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果图。
[0027]图5是实施例二所得到的拓扑优化结构图。
[0028]图6是实施例二对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果图。
[0029]图7是实施例三种所得到的拓扑优化结构。
[0030]图8是实施例三对应拓扑优化结构仿真模拟得到的结果。
具体实施方式
[0031]实施例一
[0032]图1是本专利技术进行设计的基本流程图，本专利技术的一种任意分光比光分路器的实现方法包括以下步骤：
[0033]步骤1，输入波导连接芯片逆向设计区域的一端，该端为芯片逆向设计区域输入端，输出波导连接芯片逆向设计区域另一端，该端为芯片逆向设计区域输出端。
[0034]步骤2，通过输入波导向芯片逆向设计区域加载入射光，所述入射光与待分光的波长和功率相同。
[0035]步骤3，检测入射光的振幅，并利用该振幅将输入和输出光的振幅归一化处理。
[0036]步骤4，将归一化后的输出光的振幅作为变量，构造优化函数。
[0037]步骤5，通过模拟仿真，用数值方法调整芯片逆向设计区各处的相对介电常数；计算出优化函数的值，即归一化后的输出光的振幅。
[0038]步骤6，重复步骤5，最终得到适用于待分光信号的，具有特定分光比的光分束器。
[0039]本实施例设计实现一种0：1：1：1的分光比的光分束器。
[0040]首先给出其优化区域和大致的几何形状，输入输出波导如图2，其中左侧为一个输入波导，右侧为四个输出波导，中间的正方形为优化设计的区域。将输出波导从下到上依次标号为1～4.为了实现目标的分光比，需要构造一个优化函数，使得其取到最大值的时候，第一通道、第二通道、第三通道、第四通道的振幅比为0：1：1：1；只需设计优化函数和振幅的关系如下即可：
[0041]objfn＝transmit_1*transmit_2*transmit_3
‑
transmit_4
[0042]其中objfn表征优化目标的函数，transmit_1表示第一通道投射光的振幅、 transmit_2表示第二通道投射光的振幅，transmit_3表示第三通道投射光的振幅，transmit_4表示第四通道投射光的振幅。
[0043]将光源的波长设置为常用的1550nm，并使用梯度下降法进行迭代仿真，最终得到的拓扑结构和仿真效果如图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种任意分光比光分路器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，输入波导连接芯片逆向设计区域的一端，该端为芯片逆向设计区域输入端，输出波导连接芯片逆向设计区域另一端，该端为芯片逆向设计区域输出端；步骤2，通过输入波导向芯片逆向设计区域加载入射光，所述入射光与待分光的波长和功率相同；步骤3，检测入射光的振幅，并利用该振幅将输入和输出光的振幅归一化处理；步骤4，将归一化后的输出光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，张嘉龙，刘仁韬，从哲，王百航，曹一凡，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：