基于DBS算法的可编程任意功率分配器

本申请涉及功率器件技术领域，特别是涉及一种基于dbs算法的可编程任意功率分配器。

背景技术：

近年来，随着硅光子学及其制造技术的发展，光子集成电路越来受到人们的关注。功率分配器作为集成片上光子学系统中最基本的器件之一，在许多光电路中得到了广泛的应用。功率分配器一般用于功率分配和功率组合，主要应用于平衡功率放大器、平衡混频器和天线阵列等射频电路等。传统的基于多模干涉仪的功率分配器由于其具有合理的封装足迹和易于制作等优点而得到了广泛的应用。但是其结构尺寸大，成本高，且因为是对称结构而只能实现功率的平均分配。相比于传统功率分配器，能实现任意功率比的功率分配器更有吸引力，它拥有更广泛的应用范围，如反馈电路、分接端口功率监测等。然而实现任意的分裂比是一个挑战，特别是对于多输出的器件。因而，寻找一种性能优异、成本低的任意功率分配器是目前需要解决的问题。

随着近年来算法的广泛研究，不少基于算法设计的器件突破了传统器件的对称性结构，进而实现了相比于传统功率分配器更加优异的性能。kexu等人最早将dbs算法利用于片上任意功率分配器优化设计[k.xu,l.liu,x.wen,w.sun,n.zhang,n.yi,s.sun,s.xiao,andq.song,“integratedphotonicpowerdividerwitharbitrarypowerratios,”opticslett.42,855(2017).]。然而这种基于算法的任意功率分配并不能改变它的分裂比值，是在硅结构上打上空气孔，在固定结构上实现功率的分裂比，一个结构只能实现一个分裂比，若要实现另一个比值的功率分配，需要重新制备一个器件，成本非常高，这对于光子集成电路的有效集成存在一定的阻碍。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决任意功率裂变比的基于dbs算法的可编程任意功率分配器。

一种基于dbs算法的可编程任意功率分配器，所述功率分配器在硅衬底上设计得到，包括：一个多模输入波导、两个多模输出波导和优化设计区域；

所述优化设计区域包括信号增强区和功率控制区；所述优化设计区域由若干个单元格组成；

所述信号增强区为对称结构，通过dbs算法计算所述信号增强区中每一个单元格的状态，所述信号增强区中单元格的状态包括：不打孔或第一中心孔；所述第一中心孔中为空气填充；

所述功率控制区为非对称结构，通过dbs算法计算所述功率控制区中每一个单元格的状态，所述功率控制区中单元格的状态为第二中心孔；所述第二中心孔中填充gsst；通过外加电使得gsst的状态改变实现任意功率分裂比；其中，gsst的状态包括：a-gsst非晶态和c-gsst晶态。

在其中一个实施例中，还包括：随机设置所述单元格的状态；第一中心孔或第二中心孔表示0，不打孔表示1；

根据两个多模输出波导的透过率，设置目标函数；

逐一改变每个所述单元格的状态，若所述目标函数的输出值增大，则保留所述像素点的状态，若否则设置为原始值，直到所述目标函数的最大，确定所述单元格的状态。

在其中一个实施例中，根据两个多模输出波导的透过率，设置信号增强区的目标函数为：

fom1＝t1＝t2

其中，t1、t2分别为在预设输入光源模式下的透过率，fom1表示信号增强区的目标函数。

在其中一个实施例中，根据两个多模输出波导的透过率，设置目标函数，包括：

根据两个多模输出波导的透过率，设置功率控制区的目标函数为：

fom2＝-abs(α*t1-t2)

其中，t1、t2分别为在预设输入光源模式下的透过率，fom2表示信号增强区的目标函数，α为两个多模输出波导的比例系数，abs(·)表示取括号中的绝对值。

在其中一个实施例中，所述子功率分束器还与均匀输出功率分束器进行连接，得到组合功率分束器。

在其中一个实施例中，所述优化区域的面积为2.4μmx2.4μm。

在其中一个实施例中，所述优化设计区域包括20列20行，其中单元格的个数为20×20个。

在其中一个实施例中，所述信号增强区中单元格的数量为前16列共20×16个。

在其中一个实施例中，所述功率控制区中单元格的数量为后4列共20×4个。

在其中一个实施例中，所述第一中心孔或所述第二中心孔为直径为90nm且深度为220nm的圆孔。

上述基于dbs算法的可编程任意功率分配器，可以在一个器件上实现不同的功率分裂比，效率高且成本低。只需要填充小部分相变材料gsst在设计区域的末端，基于dbs算法的可编程特点对其进行优化，可以通过调控gsst的状态(晶态或非晶态)在1530nm-1560nm波长范围内实现任意比例的分裂比。该器件结构比传统器件小了几个数量级，尺寸非常小，结构简单。

附图说明

图1为一个实施例中基于dbs算法的可编程任意功率分配器的三维结构图；

图2为一个实施例中α＝1.5时任意功率分配器的示意图；其中，(a)表示α＝1.5时任意功率分配器的二维结构图，(b)表示α＝1.5时的分裂比曲线；

图3为一个实施例中α＝2.5时任意功率分配器的示意图；其中，(a)表示α＝2.5时任意功率分配器的二维结构图，(b)表示α＝2.5时的分裂比曲线。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种基于dbs算法的可编程任意功率分配器，功率分配器在硅衬底上设计得到，包括：一个多模输入波导、两个多模输出波导和优化设计区域，具体如图1所示，在图1中，左侧为一个多模输入波导，右侧为两个多模输出波导，中间部分为优化设计区域。

优化设计区域包括信号增强区和功率控制区；优化设计区域由若干个单元格组成。

信号增强区为对称结构，图1中优化设计区域左侧所示，通过dbs算法计算信号增强区中每一个单元格的状态，信号增强区中单元格的状态包括：不打孔或第一中心孔；第一中心孔中为空气填充。信号增强区用于将功率等分传输至功率控制区，并且传输效率高。

功率控制区为非对称结构，图1中优化设计区域右侧所示，通过dbs算法计算功率控制区中每一个单元格的状态，功率控制区中单元格的状态为第二中心孔；第二中心孔中填充gsst；通过外加电使得gsst的状态改变实现任意功率分裂比；其中，gsst的状态包括：a-gsst非晶态和c-gsst晶态。gsst是一种相变材料，当gsst处于不同状态时，光从不同输出端口输出，通过改变gsst，可以改变光的输出端口，从而实现不同的功率裂变比。

上述基于dbs算法的可编程任意功率分配器，可以在一个器件上实现不同的功率分裂比，效率高且成本低。只需要填充小部分相变材料gsst在设计区域的末端，基于dbs算法的可编程特点对其进行优化，可以通过调控gsst的状态(晶态或非晶态)在1530nm-1560nm波长范围内实现任意比例的分裂比。该器件结构比传统器件小了几个数量级，尺寸非常小，结构简单。

在其中一个实施例中，dbs算法的步骤包括：

随机设置所述单元格的状态；第一中心孔或第二中心孔表示0，不打孔表示1；根据两个多模输出波导的透过率，设置目标函数；逐一改变每个所述单元格的状态，若所述目标函数的输出值增大，则保留所述像素点的状态，若否则设置为原始值，直到所述目标函数的最大，确定所述单元格的状态。

具体的，不打孔表示保留硅。

在其中一个实施例中，根据两个多模输出波导的透过率，设置信号增强区的目标函数为：

fom1＝t1＝t2

其中，t1、t2分别为在预设输入光源模式下的透过率，fom1表示信号增强区的目标函数。预设输入光源模式可以是te0模式。通过一列一列扫描打孔，直至目标函数收敛。通过上述设计，信号增强区的传输效率大于94％。

在另一个实施例中，根据两个多模输出波导的透过率，设置功率控制区的目标函数为：

fom2＝-abs(α*t1-t2)

其中，t1、t2分别为在预设输入光源模式下的透过率，fom2表示信号增强区的目标函数，α为两个多模输出波导的比例系数，abs(·)表示取括号中的绝对值。预设输入光源模式可以是te0模式。

以下讨论了α＝1.5和α＝2.5时器件的传输性能。如图2和图3所示，可以实现严格的功率分裂比。

在图2(a)中，给出了α＝1.5时任意功率分配器的二维结构图，图2(b)中给出了α＝1.5时的分裂比曲线。

在图3(a)中，给出了α＝2.5时任意功率分配器的二维结构图，图3(b)中给出了α＝2.5时的分裂比曲线。

在其中一个实施例中，优化区域的面积为2.4μmx2.4μm。

在另一个实施例中，优化设计区域包括20列20行，其中单元格的个数为20×20个。

在其中一个实施例中，信号增强区中单元格的数量为前16列共20×16个。

在另一个实施例中，功率控制区中单元格的数量为后4列共20×4个。

在又一个实施例中，第一中心孔或第二中心孔为直径为90nm且深度为220nm的圆孔。

综上，该任意功率分配器是在220nm厚的顶部绝缘体硅(soi)平台上设计的。该器件由一个多模输入波导、两个多模输出波导和优化设计区域组成。优化设计区域被划分成20x20个正方形单元格，每一个单元格的状态为不打孔或正中心圆孔；孔的半径为45nm，孔的深度为220nm。每一个单元格的状态的确定方式是：根据dbs算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值。根据dbs算法和设置的目标函数，计算每一个单元格的状态，以使目标函数达到最大值的步骤包括：依次扫描优化设计区域每一个单元格，改变扫描单元格的状态，计算当前目标函数，将当前目标函数与未改变该单元格状态时的目标函数值相比较，若当前目标函数值得到改善，则保留该扫描单元格的新状态，否则，将该单元格恢复原状态。

在使用dbs算法计算优化设计区域每一个单元格状态时，使用按列扫描的方式。按列扫描时在垂直方向上从上往下，水平方向上从左往右(从左往右一列一列地扫描计算)。依次扫描优化区域每一个单元格，改变扫描单元格的状态，计算目标函数，与未改变该单元格状态时的目标函数值相比较，若目标函数值得到改善，则保留该扫描单元格的新状态，否则，将该单元格恢复原状态。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。