模式转换器及其设计方法、多阶模式转换器技术

本发明专利技术公开了一种模式转换器及其设计方法、多阶模式转换器。设计方法用于根据设计需求确定模式转换器的平板波导中各像素点的状态；像素点包含通孔为状态1，不包含通孔为状态0。设计方法包括：对初始状态下的模式转换器进行FDTD仿真，基于仿真结果和品质因数函数得到初始品质因数；品质因数函数根据设计需求中的多个模式阶数转换功能确定；迭代执行如下过程，直至满足截止条件时停止迭代：依次选取平板波导中的各个像素点进行状态更新处理；状态更新处理包括：对像素点进行状态反转，对反转后得到的模式转换器进行FDTD仿真，根据像素点状态反转前后的品质因数确定像素点在本次迭代中的最终状态。本发明专利技术可以提高模式转换器的通用性。通用性。通用性。

【技术实现步骤摘要】
模式转换器及其设计方法、多阶模式转换器


[0001]本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种模式转换器及其设计方法、多阶模式转换器。

技术介绍

[0002]近些年，随着5G、人工智能、云计算等技术的快速发展，全球通信数据容量以指数级别增长，这对通信系统提出了更高的要求。基于SOI(Silicon
‑
On
‑
Insulator)平台的片上光互连技术可以有效地缓解通信瓶颈，其具有成本低，集成密度高，且可以与现有的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)集成电路制造工艺相兼容的优势。为了进一步提高通信容量，近些年人们提出了片上模式复用技术(Mode Division Multiplexing，MDM)。模式复用技术是将不同模式的光单独作为一个信道，将信息加载在每个信道上同时进行传输，这极大地提高了通信系统的容量与效率。模式转换器是模式复用系统中的重要部件，它可以将基模转换为高阶模，或者反过来将高阶模转换为低阶模。目前，关于模式阶数转换器的研究有很多，但大多数研究是将基模(即TE0模)转换为高阶模，无法对高阶模，比如TE1模、TE2模实现模式转换；另外，多数模式转换器件只能实现单一功能，比如将TE0模转换为TE1模。因此，现有的模式转换器缺乏通用性。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种模式转换器及其设计方法、多阶模式转换器，以提高模式转换器的通用性。
[0004]第一方面，本专利技术实施例提供了一种模式转换器的设计方法，所述模式转换器包括：平板波导，所述平板波导包括阵列排布的多个像素点；所述设计方法用于根据设计需求确定各所述像素点的状态；其中，所述像素点包含通孔的状态为状态1，所述像素点不包含通孔的状态为状态0；
[0005]所述设计方法包括：
[0006]对初始状态下的模式转换器进行FDTD仿真，基于仿真结果和品质因数函数得到初始品质因数；其中，所述初始状态为：所有像素点均处于状态0；所述品质因数函数根据所述设计需求中的多个模式阶数转换功能确定；
[0007]迭代执行如下过程，直至满足截止条件时停止迭代，得到目标模式转换器：依次选取所述平板波导中的各个像素点进行状态更新处理；
[0008]其中，针对任一所述像素点，所述状态更新处理包括：对所述像素点进行状态反转，对反转后得到的模式转换器进行FDTD仿真，基于仿真结果和所述品质因数函数得到所述模式转换器在所述像素点状态反转后的品质因数，并根据所述像素点状态反转前的品质因数和所述像素点状态反转后的品质因数确定所述像素点在本次迭代中的最终状态；其中，第一次迭代中所选取的第一个像素点在状态反转前的品质因数为所述初始品质因数。
[0009]可选的，所述设计需求中包括以下模式阶数转换功能：将TE
i
模转换为TE
i+1
模，i＝
0，1，
…
，k；k≥2，k为整数；
[0010]所述模式转换器的输入信号为预设波长的信号，所述品质因数函数包括：其中，FOM代表品质因数；T
i(i+1)
代表在所述预设波长下，所述模式转换器的输入信号为TE
i
模，所述模式转换器的输出信号为TE
i+1
模时，所述模式转换器的传输系数；
[0011]或者，所述模式转换器的输入信号包括预设波长范围的信号，所述品质因数函数包括：其中，T
i(i+1)avg
代表在所述预设波长范围内，所述模式转换器的输入信号为TE
i
模，所述模式转换器的输出信号为TE
i+1
模时，所述模式转换器的平均传输系数。
[0012]可选的，根据所述像素点状态反转前的品质因数和所述像素点状态反转后的品质因数确定所述像素点在本次迭代中的最终状态，包括：
[0013]若所述像素点状态反转后的品质因数小于所述像素点状态反转前的品质因数，则确定所述像素点在本次迭代中的最终状态为反转后的状态；
[0014]若所述像素点状态反转后的品质因数大于所述像素点状态反转前的品质因数，则确定所述像素点在本次迭代中的最终状态为反转前的状态。
[0015]可选的，所述截止条件包括：
[0016]所述模式转换器的品质因数小于预设品质因数阈值；
[0017]或者，
[0018]在迭代过程中，每个所述像素点均维持反转前的状态。
[0019]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种模式转换器，基于本专利技术任意实施例所提供的模式转换器的设计方法设计得到；所述模式转换器包括：依次连接的输入波导、平板波导和输出波导；所述平板波导包括阵列排布的多个像素点，部分所述像素点中包括通孔。
[0020]可选的，所述像素点的截面形状为正方形，所述通孔的截面形状为圆形，所述像素点的几何中心与所述通孔的几何中心重合；
[0021]所述像素点的边长的范围为：100nm
‑
150nm；
[0022]所述通孔的直径占据所述像素点的边长的75％
‑
85％。
[0023]可选的，所述输入波导、所述平板波导和所述输出波导均为矩形；
[0024]所述输入波导的宽度至少允许所述设计需求中所述模式转换器需要输出的最高阶TE模通过；
[0025]所述平板波导的宽度大于所述输入波导的宽度；
[0026]所述输出波导的宽度等于所述输入波导的宽度。
[0027]可选的，所述设计需求中所述模式转换器需要输出的最高阶TE模为TE3模；
[0028]所述输入波导与所述输出波导的宽度均为1.8μm；
[0029]所述平板波导的宽度为2.4μm，所述平板波导的长度为3.6μm；
[0030]所述像素点为边长为120nm的正方形，所述通孔为半径为45nm的圆孔，所述像素点的几何中心与所述通孔的几何中心重合。
[0031]第三方面，本专利技术实施例还提供了一种多阶模式转换器，包括：级联连接的至少两级如本专利技术任意实施例所提供的模式转换器；
[0032]其中，前一级所述模式转换器的输出波导连接后一级所述模式转换器的输入波导；各所述模式转换器的结构相同。
[0033]可选的，前一级所述模式转换器的输出波导复用为后一级所述模式转换器的输入波导。
[0034]本专利技术实施例提供的模式转换器的设计方法中，针对模式转换器的平板波导中的各个像素点的状态进行设计，在设计过程中，根据设计需求中的多个模式阶数转换功能确定品质因数函数，使得设计结果满足多种模式阶数转换功能，有效提高了模式转换器的通用性。并且，在迭代优化过程中历遍各个像素点的状态更新，可保证设计结果的可靠性。以及，该通用型的模式转换器易于级联以构成多阶模式转换器，有效提高了多阶模式转换器设计的灵活性和便利性。
[0035]应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模式转换器的设计方法，其特征在于，所述模式转换器包括：平板波导，所述平板波导包括阵列排布的多个像素点；所述设计方法用于根据设计需求确定各所述像素点的状态；其中，所述像素点包含通孔的状态为状态1，所述像素点不包含通孔的状态为状态0；所述设计方法包括：对初始状态下的模式转换器进行FDTD仿真，基于仿真结果和品质因数函数得到初始品质因数；其中，所述初始状态为：所有像素点均处于状态0；所述品质因数函数根据所述设计需求中的多个模式阶数转换功能确定；迭代执行如下过程，直至满足截止条件时停止迭代，得到目标模式转换器：依次选取所述平板波导中的各个像素点进行状态更新处理；其中，针对任一所述像素点，所述状态更新处理包括：对所述像素点进行状态反转，对反转后得到的模式转换器进行FDTD仿真，基于仿真结果和所述品质因数函数得到所述模式转换器在所述像素点状态反转后的品质因数，并根据所述像素点状态反转前的品质因数和所述像素点状态反转后的品质因数确定所述像素点在本次迭代中的最终状态；其中，第一次迭代中所选取的第一个像素点在状态反转前的品质因数为所述初始品质因数。2.根据权利要求1所述的模式转换器的设计方法，其特征在于，所述设计需求中包括以下模式阶数转换功能：将TE
i
模转换为TE
i+1
模，i＝0，1，
…
，k；k≥2，k为整数；所述模式转换器的输入信号为预设波长的信号，所述品质因数函数包括：其中，FOM代表品质因数；T
i(i+1)
代表在所述预设波长下，所述模式转换器的输入信号为TE
i
模，所述模式转换器的输出信号为TE
i+1
模时，所述模式转换器的传输系数；或者，所述模式转换器的输入信号包括预设波长范围的信号，所述品质因数函数包括：其中，T
i(i+1)avg
代表在所述预设波长范围内，所述模式转换器的输入信号为TE
i
模，所述模式转换器的输出信号为TE
i+1
模时，所述模式转换器的平均传输系数。3.根据权利要求1或2所述的模式转换器的设计方法，其特征在于，根据所述像素点状态反转前的品质因数和所述像素点状态反转后的品质因数确定所述像素点在本...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锦华，徐廷廷，吉晨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：