弯曲非对称定向耦合器的设计方法及定向耦合器与流程

本发明涉及非对称定向耦合器设计的，具体涉及一种弯曲非对称定向耦合器的设计方法及定向耦合器。

背景技术：

1、定向耦合器是构成光功率分配器的重要结构，由两条相邻的单模波导构成。对于传统的对称定向耦合器，以其某一波导作为输入端口，输入光场，光场经过两条相邻的波导后，通过一定长度的耦合区，分别按照一定的比例分配到两条波导中，最后从输出端口输出。对称定向耦合器基于严格的相位失配原理，对工作波长极其敏感，带宽受到限制，一般情况下小于40nm。以实现3-db耦合功能为例，如图1所示，横坐标表示wavelength(波长)，变化范围为1250nm～1350nm，纵坐标表示transmission(透射率)，由图1可以看出，对称定向耦合器的输出端口的透射率对波长变化范围非常敏感，透射率不稳定，无法克服波长限制，影响其应用潜力。

2、当前，已有研究人员提出利用弯曲波导、锥形波导或混合等离子体耦合器来改善定向耦合器对波长变化过于敏感的问题，其中，锥形波导虽然能够获得大的带宽，但其以占用较大空间为代价；混合等离子体耦合器需要等离子体金属沉积，受工艺及成本限制。在进行定向耦合器设计的过程中，传统对称定向耦合器的波长依赖性主要是由于特定波长对应特定耦合长度，经调研发现，非对称定向耦合器通过波导宽度可以使得两个波导之间的传播常数不对等，减小了传播常数随波长变化的影响，弯曲波导可以提供具有相同波导宽度的两个波导之间的传播常数差，使用弯曲波导的非对称定向耦合器代替传统对称定向耦合器结构可以改善定向耦合器对波长过于敏感的现象。

3、然而，利用弯曲波导进行弯曲非对称定向耦合器设计时，首先需要考虑弯曲波导引入的光损耗，并且弯曲半径和弯曲角度同样需要考虑，且鉴于弯曲波导计算耦合区长度不同于传统对称定向耦合器的耦合区长度，因此，在设计不同耦合比的定向耦合器时，弯曲半径与弯曲角度的选择往往受到经验限制，无法快速且精确地得到较好的数值，导致设计耦合比不精确，光损耗较大。如何快速准确地设计出弯曲非对称定向耦合器的参数，减小光损耗，降低波长敏感性，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决采用弯曲波导设计非对称定向耦合器时，参数设计精确度低，耦合比设计不精确，光损耗大的问题，本技术提出一种弯曲非对称定向耦合器的设计方法及定向耦合器，提高了非对称定向耦合器的参数设计效率及准确度，有效减小弯曲波导所带来的光损耗，保证非对称定向耦合器的耦合比的精确性，且可以有效改善定向耦合器对波长敏感的现象。

2、为解决上述问题，本技术采用的技术方案为：

3、一种弯曲非对称定向耦合器的设计方法，所述弯曲非对称定向耦合器包括第一组合波导、第二组合波导，第一组合波导与第二组合波导均包括一体连接的输入直波导、弯曲波导、反弯曲波导及输出直波导，第一组合波导中的反弯曲波导为第一反弯曲波导，第二组合波导中的反弯曲波导为第二反弯曲波导，所述第一组合波导的输出直波导与弯曲波导通过第一反弯曲波导连接，所述第二组合波导的输出直波导与弯曲波导通过第二反弯曲波导连接；所述设计方法包括以下步骤：

4、获取与弯曲非对称定向耦合器设计相关的基础结构参数及其取值范围；

5、以所述基础结构参数中的第一组合波导的弯曲波导半径及其对应的弯曲角度、第二组合波导的弯曲波导半径及其对应的弯曲角度、第一反弯曲波导或第二反弯曲波导的半径作为待优化设计参数，以第一组合波导中透射功率比例与第二组合波导中透射功率比例的平均平方误差和最小为目标函数，并以与弯曲非对称定向耦合器设计相关的基础结构参数的取值范围为约束条件，构建参数优化模型；

6、对所述参数优化模型进行求解，得到待优化设计参数的最优值；

7、基于所述待优化设计参数的最优值，设计弯曲非对称定向耦合器。

8、优选地，所述的与弯曲非对称定向耦合器设计相关的基础结构参数及其取值范围包括：第一组合波导与第二组合波导的波导宽度w、第一组合波导与第二组合波导的耦合间隙长度gap、第一组合波导的弯曲波导半径r1的上限值及下限值第一组合波导的弯曲波导半径对应的弯曲角度θ1的上限值及下限值第二组合波导的弯曲波导半径对应的弯曲角度θ2的上限值及下限值第一反弯曲波导的半径r或第二反弯曲波导的半径r的上限值maxr、第一反弯曲波导的半径r或第二反弯曲波导的半径r的下限值minr；

9、其中，第一组合波导的弯曲波导半径对应的弯曲角度θ1大于第二组合波导的弯曲波导半径对应的弯曲角度θ2。

10、优选地，第二组合波导的弯曲波导半径r2与第一组合波导的弯曲波导半径r1的关系满足的表达式为：

11、r2＝r1+w+gap。

12、优选地，所述目标函数为：

13、

14、其中，f表示第一组合波导中透射功率比例与第二组合波导中透射功率比例的平均平方误差和；ti2表示第一组合波导中透射功率比例；ki2表示第二组合波导中透射功率比例；c为设计耦合比；n表示扫描波长范围内的数据点数；i表示扫描波长范围内的数据点次序；

15、所述约束条件包括：

16、

17、优选地，所述对所述参数优化模型进行求解，得到待优化设计参数的最优值，包括：

18、利用黄金搜索优化算法对所述参数优化模型进行求解，得到待优化设计参数的最优值。

19、优选地，利用黄金搜索优化算法对所述参数优化模型进行求解，得到待优化设计参数的最优值，包括：

20、步骤s101：设置黄金搜索优化算法的基本参数；所述基本参数中包括待优化设计的参数、目标函数阈值thr、迭代过程的初始步长step0、参数优化模型的初始解向量p0、最大迭代次数q，且满足：-djmax≤step0≤djmax,djmax＝0.1×δdj，其中，δdj表示第j个待优化设计参数的范围差，j小于或等于5，参数优化模型的解为待优化设计参数组成的向量，待优化设计参数的个数构成向量的维度；

21、步骤s102：设置初始解为p0，p0为待优化设计参数组成的初始向量，在初始步长step0下，根据初始解p0进行仿真计算，得出第一组合波导中透射功率比例与第二组合波导中透射功率比例，进一步求解目标函数，得到初始目标函数值f(p0)，将初始目标函数值f(p0)作为初始最优适应度值gbest，初始解p0作为初始最优解；

22、步骤s103：进入迭代计算，设当前迭代序次q＝1，第一次迭代的当前解为p1，第一次迭代在初始解p0的基础上进行迭代，其中，p1＝p0+step0；

23、步骤s104：求解第一次迭代过程的当前解p1对应的目标函数值f(p1)，比较f(p0)与f(p1)的大小，若f(p1)＜f(p0)，则将f(p1)作为最优适应度值gbest1，将当前解p1作为参数优化模型的最优解，并执行步骤s105；否则，将f(p0)作为最优适应度值gbest1，将初始解p0作为参数优化模型的最优解，并执行步骤s105；

24、步骤s105：比较gbest1与目标函数阈值thr的大小，若gbest1＜thr，则将gbest1作为最优解，gbest1对应的解向量作为最优解向量；否则，执行步骤s106；

25、步骤s106：当q大于等于2时，基于更新的步长确定第q次迭代过程中的当前解pq，其中，第q次迭代是在第q-1次迭代采用的步长stepq-1及解向量pq-1的基础上进行更新及迭代；根据更新后的步长更新当前解pq，当前解更新过程满足：pq＝pq-1+stepq-1；

26、步骤s107：比较f(pq)与f(pq-1)的大小，若f(pq)＜f(pq-1)，则将作为最优适应度值gbestq，将当前解pq作为参数优化模型的最优解，并执行步骤s108；否则，将f(pq-1)作为最优适应度值gbestq，将解向量pq-1作为参数优化模型的最优解，并执行步骤s108；

27、步骤s108：比较gbestq与目标函数阈值thr的大小，若gbestq＜thr，则将gbestq作为最优解，gbestq对应的解向量为最优解向量；否则，返回执行步骤s106～步骤108，直至迭代到第q次，执行步骤s109；

28、步骤s109：当迭代到第q次时，将gbestq作为最优解，gbestq对应的解向量pq为最优解向量。

29、优选地，步骤s106中进行步长更新，更新步长为steps所采用的表达式为：

30、stepq＝g·stepq-1+c1·cos(δ1)·(pbest-pq)+c2·cos(δ2)·(pbest-pq)

31、其中，stepq-1为更新前上一次的步长，初始步长为step0，stepq为当前次步长，pbest为当前最优解，g为计算因子，满足：

32、

33、q小于或等于q，c1、c2为(0，2)之间的随机数，δ1、δ2为(0，1)之间的随机数。

34、通过上述技术手段，以利用弯曲非对称定向耦合器改善传统对称定向耦合器对波长过于敏感的现象为出发点，以弯曲非对称定向耦合器中第一组合波导中透射功率比例与第二组合波导中透射功率比例的平均平方误差和最小为目标函数，考虑与弯曲非对称定向耦合器设计相关的基础结构参数的取值范围约束，通过黄金搜索优化算法进行快速精确地得到较好的待优化设计参数数值，避免传统设计参数选择受人工经验限制的缺陷，提高了弯曲非对称定向耦合参数的设计效率。

35、第二方面，本发明提出一种弯曲非对称定向耦合器，所述弯曲非对称定向耦合器包括第一组合波导、第二组合波导，第一组合波导与第二组合波导均包括一体连接的输入直波导、弯曲波导、反弯曲波导及输出直波导，第一组合波导中的反弯曲波导为第一反弯曲波导，第二组合波导中的反弯曲波导为第二反弯曲波导，所述第一组合波导的输出直波导与弯曲波导通过第一反弯曲波导连接，所述第二组合波导的输出直波导与弯曲波导通过第二反弯曲波导连接，第一组合波导为光信号输入的直通波导，第二组合波导为耦合波导；

36、所述弯曲非对称定向耦合器的设计参数包括：第一组合波导的弯曲波导半径r1、第一组合波导的弯曲波导半径r1对应的弯曲角度θ1、第二组合波导的弯曲波导半径r2、第二组合波导的弯曲波导半径r2对应的弯曲角度θ2、第一反弯曲波导的半径或第二反弯曲波导的半径r，所述弯曲非对称定向耦合器的设计参数采用权利要求1～7任意一项所述的弯曲非对称定向耦合器的设计方法进行设计。

37、第三方面，本发明提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的弯曲非对称定向耦合器的设计方法的步骤。

38、第四方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的弯曲非对称定向耦合器的设计方法的步骤。

39、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

40、本发明提出一种弯曲非对称定向耦合器的设计方法及定向耦合器，其中，第一组合波导为光信号输入的直通波导，第二组合波导为耦合波导，以弯曲非对称定向耦合器中第一组合波导中透射功率比例与第二组合波导中透射功率比例的平均平方误差和最小为目标函数，考虑与弯曲非对称定向耦合器设计相关的基础结构参数的取值范围约束，建立设计参数优化模型并求解，避免传统设计参数选择受人工经验限制的缺陷，提高了参数设计效率及准确度，利用弯曲非对称定向耦合器改善传统对称定向耦合器对波长过于敏感的现象的同时，可有效减小弯曲波导所带来的光损耗，保证设计耦合比的精确性。