【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光通信领域，具体涉及一种基于粒子群优化逆向设计方法的超紧凑宽带波长解复用器及其设计方法。
技术介绍
1、为了满足不断增长的超高链路通信容量需求，波分复用技术在光通信领域得到了广泛的应用。波分复用技术将每个工作波长作为一个独立的信道来传输光信号数据。近年来，由于单片光子/光电集成电路的潜力，建立在绝缘体上的硅平台上的片上波长解复用器，引起了行业内极大的关注。在片上波长解复用器中，双工或三工复用器是复用系统的核心和基本器件。通常，这种器件有几个主要指标要求，即低插入损耗、高消光比、小尺寸和易于制造加工。到目前为止，已经报道了基于不同方法来设计的具有较好性能的波长解复用器，例如马赫-曾德干涉仪多模干涉(mmi)耦合器。然而，它们通常具有相对较大的器件尺寸(例如，大于50μm)。为了提高集成度，有必要进一步减小器件尺寸，因此，设计一种结构更紧凑、工作性能更优异的波长解复用器是非常必要的。
2、然而，传统的片上波长解复用器的设计思路和方法是基于对特定波导结构的理论分析，以获得在特定波导结构条件下的器件光学传输特性。通过调整相关特征参数，可以使其适配特定应用的特性。这种设计方法的不足之处在于设计的器件基于特定结构，缺乏对不规则结构的探索，不能确保最佳的器件性能。此外，为了获得最佳性能，通常需要设计多个参数，然而，当参数空间大幅扩展时，直观设计几乎不可行。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种超紧凑宽带波长解复用器及其设计方法，该波长解复用器带宽
2、本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种超紧凑宽带波长解复用器，包括封装层以及包裹在封装层内的输入波导和输出波导；
4、所述输入波导的一端为输入端，另一端为输出端，所述输入波导的输入端和输出端之间为过渡段，所述过渡段和所述输出波导之间形成有定向耦合区，所述定向耦合区设置有阵列排布的矩形光栅；所述输入波导的输入端与输出波导之间的间距、定向耦合区的长度以及矩形光栅的长度、宽度、节距长度和节距占空比采用粒子群优化算法优化得到。
5、优选的，所述输入波导、输出波导和矩形光栅的材质均为硅，所述封装层为二氧化硅层。
6、优选的，所述定向耦合区的宽度自两端向中间逐渐递增。
7、进一步的，所述输入波导和输出波导均为条形波导，在定向耦合区处所述输入波导和输出波导的宽度自两端向中间逐渐递减。
8、优选的，所述输入波导的顶面与底面平行，输出波导的顶面与底面平行。
9、进一步的，所述输入波导、输出波导和矩形光栅三者的高度相等。
10、优选的，所述输入波导的输出端或输出波导的输出端为半径为r的90°弯曲波导，沿光信号传输方向，所述输入波导的输出端和输出波导的输出端之间的间距逐渐增大。
11、所述的超紧凑宽带波长解复用器的设计方法，包括：
12、s1，在所述输入波导的过渡段和所述输出波导之间设置定向耦合区，所述定向耦合区设置阵列排布的矩形光栅；所述矩形光栅具有相同的节距长度λ、节距占空比w3/λ、长度w3以及宽度w2；
13、s2，采用粒子群优化算法对输入波导的输入端与输出波导之间的间距g、定向耦合区的长度lc以及矩形光栅的长度w3、宽度w2、节距长度λ和节距占空比w3/λ进行编码；对于得到的编码结构设定搜索空间以及目标函数值，利用粒子群优化算法以最小目标函数值搜索波长解复用器的最优结构，搜索得到优化的输入波导的输入端与输出波导之间的间距g、定向耦合区的长度lc以及矩形光栅的长度w3、宽度w2、节距长度λ和节距占空比w3/λ，以此形成超紧凑宽带波长解复用器最终结构。
14、优选的，s1中，在输入波导的输出端设置传输效率监视器；
15、s2中，在利用粒子群优化算法以最小目标函数值搜索波长解复用器的最优结构的过程中，通过传输效率监视器监测输入波导的输出端的传输效率tforward，并将目标函数值设为：
16、fom＝(1-tforward)2
17、其中，tforward为输入波导(2)的输出端的传输效率。
18、优选的，s2中，所述的搜索空间：矩形光栅长度w3和宽度w2的范围均为0.05-0.2μm，节距长度λ的范围为0.2-0.5μm，定向耦合区长度lc的范围为0.4-0.7μm，输入波导的输入端与输出波导之间的间距g的范围为0.1-0.2μm。
19、与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
20、本专利技术利用粒子群优化(pso)逆向设计方法对波长解复用器的各部分参数(包括输入波导的输入端与输出波导之间的间距g、定向耦合区的长度lc以及矩形光栅的长度w3、宽度w2、节距长度λ和节距占空比w3/λ)进行不同尺寸的搜索，得到最优值，可以进一步缩小所需的结构尺寸，提高波长解复用器的集成度和紧凑性，同时还可以提高波长解复用器的器件性能。本专利技术利用粒子群优化算法逆向设计的波长解复用器的长度仅为9.3μm，与之前的同类波长解复用器相比，尺寸缩小了近20倍。该波长解复用器在波长为1.55μm时提供了24.3db的消光比和0.17db的低插入损耗，在波长为2.0μm时提供了21.7db的消光比和0.9db的低插入损耗。因此，本专利技术采用利用粒子群优化算法从全局搜索波长解复用器的优化结构，可以克服基于特定结构设计带来的问题，在参数空间大幅扩展时，优势更加明显。
21、进一步的，本专利技术波长解复用器采用二氧化硅层封装，以方便该波长解复用器与其它器件进行集成。
22、进一步的，本专利技术在输入波导和输出波导的输出端通过c弯去耦，实现波导间的去耦。
23、本专利技术利用粒子群优化逆向设计方法对波长解复用器的各部分进行不同尺寸的搜索，初始将矩形光栅设置成长宽相等，方便使用pso算法对其优化，得到最优值，可以进一步缩小所需的结构尺寸，提高波长解复用器的集成度和紧凑性，同时还能提高波长解复用器传输效率，减小损耗，提高波长解复用器的消光比。
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1.一种超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，包括封装层(1)以及包裹在封装层(1)内的输入波导(2)和输出波导(3)；
2.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)、输出波导(3)和矩形光栅(6)的材质均为硅，所述封装层(1)为二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述定向耦合区(5)的宽度自两端向中间逐渐递增。
4.根据权利要求3所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)和输出波导(3)均为条形波导，在定向耦合区(5)处所述输入波导(2)和输出波导(3)的宽度自两端向中间逐渐递减。
5.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)的顶面与底面平行，输出波导(3)的顶面与底面平行。
6.根据权利要求5所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)、输出波导(3)和矩形光栅(6)三者的高度相等。
7.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)的输出端
8.权利要求1-7任一项所述的超紧凑宽带波长解复用器的设计方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的超紧凑宽带波长解复用器的设计方法，其特征在于，S1中，在输入波导(2)的输出端设置传输效率监视器；
10.根据权利要求8所述的超紧凑宽带波长解复用器的设计方法，其特征在于，S2中，所述的搜索空间：矩形光栅(6)长度w3和宽度w2的范围均为0.05-0.2μm，节距长度Λ的范围为0.2-0.5μm，定向耦合区(5)长度Lc的范围为0.4-0.7μm，输入波导(2)的输入端与输出波导(3)之间的间距g的范围为0.1-0.2μm。
...【技术特征摘要】
1.一种超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，包括封装层(1)以及包裹在封装层(1)内的输入波导(2)和输出波导(3)；
2.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)、输出波导(3)和矩形光栅(6)的材质均为硅，所述封装层(1)为二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述定向耦合区(5)的宽度自两端向中间逐渐递增。
4.根据权利要求3所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)和输出波导(3)均为条形波导，在定向耦合区(5)处所述输入波导(2)和输出波导(3)的宽度自两端向中间逐渐递减。
5.根据权利要求1所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)的顶面与底面平行，输出波导(3)的顶面与底面平行。
6.根据权利要求5所述的超紧凑宽带波长解复用器，其特征在于，所述输入波导(2)、输出波...
【专利技术属性】
技术研发人员：文进，武政委，潘雨，张辉，王倩，于慧敏，张颖，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：
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