一种功率分束器的设计方法及功率分束器

本发明涉及集成光子器件，尤其涉及一种功率分束器的设计方法及功率分束器。

背景技术：

1、近些年，光子集成电路(pics)已被认为是在光通信、光谱学、计量学、量子通信和计算领域最有前途的平台之一，这要归功于其低损耗、高集成密度且可以与互补金属氧化物半导体(cmos)平台实现兼容的优点。由于硅和包层材料的高折射率差别，基于绝缘体上硅(soi)平台的光子器件的设备大小已大大降低，soi平台相较于其他集成平台比如linbo3可以提供更有效和紧凑的光子器件。然而，典型的基于soi的波导器件往往是宽度大于高度，从而可以区分不同偏振的模式分布。在soi波导结构中传输的te和tm模式在有效折射率、模场分布、损耗等传输特性上存在较大差异，这会导致强烈的偏振依赖性，严重限制包括光互连在内的许多应用。

2、功率分束器(pss)作为高密度pics最基础的组件之一，常常被用于控制光流，以实现pics中的许多基础操作，比如传输、分离和合并光信号。实际上，功率分束器是构建许多复杂器件的必备器件，比如光逻辑门、调制器、光开关等。最近几年，关于功率分束器的大量研究工作已经被报道，其中主要包括基于定向耦合器(dcs)、基于y分支和基于多模干涉耦合器(mmi)的功率分束器。目前所提出许多功率分束器很多是基于单一偏振情况下工作的，很少有偏振管理功能。而许多使用马赫曾德尔干涉仪的硅光调制器中，偏振器和功率分束器都是必要的，因为调制器只能工作在一种偏振条件下，缺乏偏振控制会损害器件的性能。因此，在pics中实现偏振管理十分重要，但目前的功率分束器往往是工作在特定偏振下的，这就需要在ps添加偏振分束器等器件，这会阻碍高密度的大规模pics实现。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种功率分束器的设计方法及功率分束器，该设计方法设计一种具有偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，该功率分束器可以将对输入光实现偏振旋转，将输入te模式在输出端口旋转为tm模式，并且同时实现功率的分割。

2、根据本发明的一方面，提供了一种功率分束器的设计方法，所述功率分束器包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态；所述设计方法包括：

3、将所述平板波导划分为第一区域和第二区域；

4、利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te00模式经过所述第一区域传输后转换为te10模式；

5、利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式经过所述第二区域传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导；

6、其中，所述第一区域沿所述输入波导指向所述输出波导的方向排列，所述第一区域位于所述第二区域靠近所述输入波导的一侧。

7、可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式经过所述第二区域传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导之后，还包括：

8、利用时域有限差分方法，仿真te00模式的光波由所述输入波导输入，经过所述平板波导传输后由两个所述输出波导输出tm00模式的光波的过程；

9、比较两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值是否小于预设范围；

10、若否，重复执行所述第一仿真优化算法和所述第二仿真优化算法，直至两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值小于所述预设范围。

11、可选的，利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te00模式经过所述第一区域传输后转换为te10模式，包括：

12、设置所述第一区域内各所述像素块的初始状态分布；

13、利用时域有限差分方法，仿真te00模式的光波由所述输入波导输入，在所述第一区域传输的过程，得到表示所述第一区域的输出端te10模式的光功率，表示te00模式的输入光功率；

14、改变所述第一区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te00模式的光波在所述第一区域传输的过程，得到更新后的fom1；

15、判断更新后的fom1是否变大；

16、若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；

17、若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；

18、遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom1大于第一预设值。

19、可选的，所述第一预设值大于或等于0.95，小于或等于1。

20、可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式经过所述第二区域传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：

21、设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；

22、利用时域有限差分方法，仿真te10模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm00模式的光功率；

23、改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te10模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm00模式的过程，得到更新后的fom2；

24、判断更新后的fom2是否变小；

25、若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；

26、若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；

27、遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。

28、可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式经过所述第二区域传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：

29、设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；

30、利用时域有限差分方法，仿真te10模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te10模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm00模式的光功率，x和y分别表示两个所述输出波导输出功率占总输出功率的比例，x+y＝1且x、y均为正数；

31、改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te10模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm00模式的过程，得到更新后的fom2；

32、判断更新后的fom2是否变小；

33、若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；

34、若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；

35、遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。

36、可选的，所述第二预设值大于或等于0，小于或等于0.07。

37、可选的，所述第一区域的面积小于所述第二区域的面积。

38、根据本发明的另一方面，提供了一种功率分束器，包括绝缘体上硅基片，所述绝缘体上硅基片包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态，所述像素块的状态由上述任一所述的设计方法确定；

39、从所述输入波导输入的te00模式的光束，经过所述平板波导传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导输出。

40、可选的，所述绝缘体上硅基片包括：

41、硅衬底；

42、在所述硅衬底一侧依次层叠的二氧化硅层和硅波导层；

43、所述第一状态为非刻蚀状态，所述第二状态为刻蚀状态，所述第二状态的所述像素块内设置有预设深度的凹槽。

44、本发明实施例提供的功率分束器的设计方法，功率分束器包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于输入波导和输出波导之间的平板波导，平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，像素块包括第一状态或第二状态；设计方法包括：先将平板波导划分为第一区域和第二区域；然后利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的te00模式经过第一区域传输后转换为te10模式；再利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te10模式经过第二区域传输后转换为tm00模式，并按预设比例分束至两个输出波导；其中，第一区域沿输入波导指向输出波导的方向排列，第一区域位于第二区域靠近输入波导的一侧。本发明实施例的技术方案，设计一种具有偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，该功率分束器可以将对输入光实现偏振旋转，将输入te模式在输出端口旋转为tm模式，并且同时实现功率的分割，且功率分束器具有制备工艺简单、成本低、体积小的优势。

45、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。