一种双模式多通道交叉波导

1.本实用新型属于微纳光电子元器件技术领域，具体是涉及到一种双模式多通道交叉波导。


背景技术：

2.光子集成电路(photonic integrated circuit,pics)在过去的十年中取得了巨大的发展。由于高折射率差，最先进的硅基光子集成电路已经可以集成成百上千的光学器件在绝缘体衬底硅片上(silicon-on-insulator,soi)。随着集成度快速增长，交叉波导的数量将显著增加。不像电子集成电路那样，可以灵活地多层互连，光子集成电路大多都被设计在单层。那么，如果缺乏低损耗、超紧凑波导、多通道的交叉波导的，高密度光子集成电路就很难实现。
3.事实上，波导交叉的研究很早就引起了研究者的兴趣。由于波导的横向约束在交叉处会消失，从而引起光的衍射。因此，有效地缓解交叉区域的强衍射效应是各种设计方案的关键。目前也有很多设计交叉波导的方法被报道，比如加宽波导、多模干涉、亚波长光栅等。虽然这些依赖先验物理模型的传统方案设计的器件具备优异的性能，但是由于优化过程计算的参数空间较小，自由度较低，因此优化过程比较依赖人工调控，且所设计的器件尺寸较大，难以应用于未来大规模的光子集成系统。
4.随着近年来微纳加工工艺的进步和计算机技术的发展，智能算法设计微纳光子器件的方案被广泛研究，不少基于算法设计的器件突破了传统器件的局限，实现了相比于传统器件更加优异的性能。2017年，luluzi lu等人用直接二进制搜索(direct binary search,dbs)算法设计了四通道、五通道和六通道的星型交叉波导；2018年，hailong han等人通过粒子群优化算法实现了尺寸仅为1μm
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1μm的硅基单模两通道交叉波导；除了通道数目，多模式的光学器件同样可以扩大传输容量，两通道的双模式和三模式交叉波导分别2018年和2019年被报道。尽管如此，基于智能算法的小尺寸、双模式、多通道的交叉波导仍未被突破。此外，直接二进制搜索算法仅仅对优化区域划分单元的状态进行搜索，优化参数自由度较低，搜索的优化区域折射率分布可能性和多样性就会收到约束，直接二进制搜索算法的潜能有待进一步挖掘。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是克服现有交叉波导尺寸较大、模式单一、通道数较少等不足，提供一种通过多对称原理来实现多通道的交叉的双模式多通道交叉波导。
6.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下，一种双模式多通道交叉波导，包括衬底，所述衬底以上设有顶层硅，所述顶层硅包括呈正2n边形的优化区和n个交叉的通道， n≥3，所述通道的中心线沿正2n边形的边的垂直平分线设置，所述优化区沿正2n边形的对称轴被划分为4n个对称区，所述对称区上开设有空气孔，通过调整所述对称区上空气孔的状态，形成一个满足预定输出目标的非周期性打孔阵列，所述输出目标是指每个通道
支持两种不同模式光传输。
7.优选的，所述空气孔的状态为填充硅或空气。
8.优选的，所述空气孔为圆形孔或腰型孔。
9.优选的，所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述优化区为正六边形，所述通道的宽度w1为900nm，优化区的两条平行边的间距w2为5640nm，任意三个空气孔的中心连线为正三角形，所述正三角形的边长d为150nm，所述腰型孔的圆弧直径d1为90nm，腰型孔的直线边长w3为30nm，所述圆形孔的直径为90～120nm。
10.优选的，设于优化区的对称轴上的所述腰型孔，其对称轴与所在的优化区的对称轴重合。
11.优选的，两种不同模式为自1540nm到1560nm波段te0模式和自1540nm到1560nm波段te1模式。
12.一种双模式多通道交叉波导的制造方法，包括以下步骤：
13.步骤s1，设定优化初始结构，在多维度直接二进制算法中设置反映器性能的目标函数；
14.步骤s2，选择任意一个对称区中的一个空气孔为优化的起始点；
15.步骤s3，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔均填充为硅材料，计算目标函数值；
16.步骤s4，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔的形状均设置成腰型孔，并以腰型孔的中心为原点对称地改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，每一次改变旋转角度计算一次目标函数值；
17.步骤s5，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔的形状均设置成圆形孔，并同步地改变圆形孔的直径大小，每一次改变大小计算一次目标函数值；
18.步骤s6，对比所选空气孔的所有状态参数计算的目标函数值，选择最优值，并且在所有对称区上保留对应最优值的各维度参数；
19.步骤s7，选择下一个空气孔，重复s3～s6步骤，当对称区内所有空气孔遍历一次称为一次迭代，经多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止，确定对称区的打孔阵列。
20.优选的，所述腰型孔以10
°
为步长改变其旋转角度，所述圆形孔的直径在90nm～120nm 间，以10nm为步长改变其直径。
21.优选的，所述目标函数值为通道4中两种不同模式的透过率之和。
22.优选的，所述优化初始结构为通道上的空气孔均填充硅，优化区内的其他空气孔均填充空气。
23.本实用新型将正2n边形的优化区以其边的垂直平分线和对角线划分为4n个对称区，在对称区内分布若干空气孔，多维度直接二进制算法仅优化一个对称区内空气孔的分布，其他对称区内空气孔分布通过优化区的对称性得到，这样不仅能降低计算时间成本，优化器件尺寸，更重要地是能实现两种不同模式在任意通道传输的交叉功能，进一步增加光互连系统的传输容量。
附图说明
24.图1为本实用新型其中一实施例的结构示意图；
25.图2为图1所示的顶层硅的结构示意图。
26.图3为初始结构设计过程；其中，图3(a)空气孔的插空排列方式示意图，任意三个空气孔中心的连线为正三角形；图3(b)为正六边形的边垂直平分线和对角线将优化区划分为十二个对称区的结构示意图；图3(c)为对称区内分布空气孔的结构示意图。
27.图4为优化初始结构的结构示意图，其中，通道上的空气孔均填充硅，优化区内的其他空气孔均填充空气。
28.图5为腰型孔的结构示意图。
29.图6为设于正六边形对称轴上的腰型孔的结构示意图。
30.图7为te0和te1模式的透射光谱。
31.在图中，1、衬底；2、顶层硅；3、优化区；31、对称区；32、空气孔；321、第一腰型孔；322、第二腰型孔；323、第三腰型孔；324、圆形孔；4、通道。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明：
33.请一并参阅图1-6，本实施例提供的双模式多通道交叉波导，包括衬底1，所述衬底以上设有顶层硅2，所述顶层硅2包括呈正2n边形的优化区3和n个交叉的通道4，n≥3，所述通道4的中心线沿正2n边形的边的垂直平分线设置，且所有通道4中心线的交叉点与优化区3的中心重合，所述优化区3沿正2n边形的对称轴被划分为4n个对称区31，所述对称区31上开设有空气孔32，通过调整所述对称区31上空气孔32的状态，形成一个满足预定输出目标的非周期性打孔阵列，所述输出目标是指每个通道支持两种不同模式光传输。
34.本实用新型将正2n边形的优化区3以其边的垂直平分线和对角线划分为4n个对称区 31，在对称区31内分布若干空气孔，多维度直接二进制搜索算法仅优化一个对称区31内空气孔32的分布，其他对称区31内空气孔32分布通过优化区3的对称性得到，不仅能降低计算时间成本，更重要地是能缩小器件尺寸、实现两种不同模式光源从任意通道4通过的交叉功能，进一步增加光互连系统的传输容量。
35.更具体的，所述空气孔32的状态为填充硅或空气。
36.更具体的，所述空气孔32为圆形孔或腰型孔。
37.更具体的，在本实施例中，所述双模式多通道交叉波导设计在绝缘体衬底硅平台，所述衬底的厚度为3μm，顶层硅的厚度为220nm，所述优化区3为正六边形，优化区3的两条平行边的间距w2为5640nm，正六边形的边垂直平分线和对角线将优化区3划分为十二个对称区31；所述通道4的宽度w1为900nm，这样的宽度可以支持te0和te1模式的传输。
38.任意三个空气孔的中心连线为正三角形，所述正三角形的边长d为150nm，所述腰型孔的圆弧的直径d1为90nm，腰型孔的直线边的边长w3为30nm，腰型孔的深度为0～220nm，所述圆形孔的直径为90～120nm，圆型孔的深度为0～220nm。
39.在本实施例中，腰型孔的深度为220nm，圆形孔的深度为220nm；可以理解的是，优化区3还可以为正八边形、正十边形等正多边形，根据需要可实现任意通道数目的交叉波导。
40.更具体的，设于优化区3的对称轴上的所述腰型孔，其对称轴与所在的优化区3的对称轴重合；所述腰型孔包括设于对称区31内的第一腰型孔321、设于正六边形的对角线上的第二腰型孔322和设于正六边形的边的垂直平分线上的第三腰型孔323，所述第二腰型孔322 关于正六边形的对角线对称设置，所述第三腰型孔323关于正六边形的边的垂直平分线对称设置，能保证对称区31上的打孔阵列在对称布置在优化区3上时，对称轴上的腰型孔能完全重合，一方面能降低计算时间成本，另一方面能保证打孔阵列能实现期望的功能。
41.更具体的，两种不同模式为自1540nm到1560nm波段te0模式和自1540nm到1560nm 波段te1模式。
42.本实用新型还提供一种双模式多通道交叉波导的制造方法，包括以下步骤：
43.步骤s1，设定优化初始结构，在多维度直接二进制算法中设置反映器性能的目标函数；
44.步骤s2，选择任意一个对称区中的一个空气孔为优化的起始点；
45.步骤s3，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔均填充为硅材料，计算目标函数值；
46.步骤s4，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔的形状均设置成腰型孔，并以腰型孔的中心为原点对称地改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，每一次改变旋转角度计算一次目标函数值；
47.步骤s5，将所选择的空气孔及其他对称区内对应的空气孔的形状均设置成圆形孔，并同步地改变圆形孔的直径大小，每一次改变大小计算一次目标函数值；
48.步骤s6，对比所选空气孔的所有状态参数计算的目标函数值，选择最优值，并且在所有对称区上保留对应最优值的各维度参数；
49.步骤s7，选择下一个空气孔，重复s3～s6步骤，当对称区内所有空气孔遍历一次称为一次迭代，经多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止，确定对称区的打孔阵列。
50.每次选择一个空气孔改变其填充状态、形状、大小和旋转角度，其他对称区内与所选择的空气孔对应的空气孔做对称处理，通过对称原理设计器件参数，设计方便，能大幅降低运算的时间成本，器件的尺寸小，性能好，能实现两种不同模式在任意通道传输的交叉功能，进一步增加光互连系统的传输容量。
51.更具体的，所述腰型孔以10
°
为步长改变其旋转角度，直到旋转180
°
回到原来位置，所述圆形孔的直径在90nm～120nm间，以10nm为步长改变其直径。
52.多维度直接二进制算法对初始结构中空气孔多维度的参数进行优化，包括状态、形状、大小、旋转角度。所述状态是指填充状态，即硅或者空气；形状是指圆形或者腰型孔；大小是指圆形空气孔的直径大小；旋转角度是指腰型孔的以其中心旋转角度。腰型孔是由两个半圆和一个矩形组成，每个半圆直径d1为90nm，矩形大小为30nm
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90nm，腰型孔可旋转180
°
；圆形空气孔直径在90nm～120nm变化。对于旋转角度步长和直径步长，为了平衡时间成本和器件性能可以灵活设置，这里旋转角度步长设置为10
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，直径步长设置为10nm，还以根据设计需要对步长进行增减。
53.由于优化区3划分的十二个对称区具有对称性，多维度直接二进制算法仅优化一个对称区内的空气孔分布，而对称区的空气孔分布通过优化区3的对称性得到，这样既满足
了器件交叉功能，又节约了大量的优化时间。
54.更具体的，所述目标函数值为通道4中两种不同模式的透过率之和；在多维度直接二进制算法中设置反映器件性能的目标函数：
[0055][0056]
式中，为自1540nm到1560nm波段te0模式的透过率；为自1540nm到1560nm波段te1模式的透过率。
[0057]
更具体的，所述优化初始结构为通道4上的空气孔均填充硅，优化区3内的其他空气孔均填充空气；光在硅波导中传播，通过空气孔调节折射率分布，从而约束和改变光的行为，因此可以将光经过的区域填充硅，而其他部分填充空气孔来优化预设初始结构。
[0058]
在用多维度直接二进制算法优化前，需要给定优化初始结构，合理的优化初始结构更容易收敛到优异的性能。如图3(a)所示是空气孔的插空排列方式，即上行空气孔排列在下一行空气孔的空隙里，这样的排列方式既有利于对称结构，也可以尽量让空气孔在可加工的前提下排列更密集，每个空气孔的中心距离d为150nm。优化区3划分为十二个对称区，如图 3(b)所示。然后将这种排列方式的空气孔填充在其中一个对称区中，如图3(c)所示，其他对称区的空气孔分布可以利用对称性得到。如图4所示是优化初始结构。
[0059]
经过算法优化后，器件具有较好的性能。图7(a)为本实用新型器件的插入损耗(insertloss,il)透射光普，在1540nm到1560nm的带宽范围内，te0和te1模式的插入损耗分别小于0.45db和0.56db。图7(b)为本实用新型器件的串扰(crosstalk,ct)透射光普，在1540nm 到1560nm的带宽范围内，te0和te1模式的串扰都低于-62db。
[0060]
具体工作原理为：由于在设计过程中采用多对称性优化，因此本实用新型在每个传输波导都可以实现相同的功能，即te0和te1模式可以在三个输传输波导中的任意一个中高效传播。相比于其他方法设计的光学交叉波导，具有性能好、尺寸小、双模式和多通道等优点。
[0061]
本实用新型与现有技术相比不仅创新了直接二进制搜索算法，进一步扩大了直接二进制搜索算法的搜索自由度，并且采用创新的多维度直接二进制搜索算法设计了具有双模式多通道的交叉波导，可以进一步增加光互连系统的传输容量。
[0062]
以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。