一种可控模式光滤波器

1.本实用新型属于平面光波导集成器件技术领域，具体是涉及到一种可控模式光滤波器。


背景技术：

2.随着人类社会的发展，人们对于信息的需求量高速增长。因此，现代通信系统的通信带宽和容量也面临着更高的要求。“光互连”技术被认为是一种非常有前途的高速通信解决方案，并且其可以应用先进的光子复用技术来进一步提高容量。近几十年来，为增大光通信系统的通信容量，多种复用技术应运而生，例如波分复用(wdm)技术，空分复用(sdm) 技术等。这些技术一直在迅速发展，以支持光传输容量的飞速增长。除此之外，光的模分复用(mdm)技术也逐渐进入人们的视野。所谓模分复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或少模光纤上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。近年来，基于绝缘体上硅的硅基集成模分复用系统(mdm)由于其尺寸小、与cmos制造工艺兼容、以及对目前已成熟的波分复用系统(wdm)的扩展性而引起了广泛关注。
3.光的模态作为光的一种维度，跟光的波长一样可以作为光通信中的一种重要复用形式。在很早以前人们就发现了光的不同模态的存在，并且，不同模态的光之间会发生色散和串扰。因此，模分复用系统中，模式滤波器是一个必不可少的器件，用于滤除不需要的模式，只允许所需求的模式通过，类似波分复用系统中的波长滤波器的功能。在实践中，有时可能会遇到同一器件在不同情况下需要滤除不同模式光，保留另一种模式光的问题，而仅依靠无源被动式器件无法满足这种需求；如果使用单一功能的模式光通/阻调控器件，一般需要配合设计多路器件，对光进行分束再汇合，这就造成了器件数量的增多和所占面积的增大，不利于光子器件大规模片上集成；并且，传统器件一般都存在尺寸过大的弊端，为照顾整个系统的集成度，该模式光滤波器的尺寸不宜过大。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：1、片上无源被动式光调控器件很难根据需求的变化实时地改变调控结果；2、单一功能的模式光通/阻调控器件一般需要配合设计多路器件，不利于光子器件大规模片上集成；3、传统的器件一般都存在尺寸过大的弊端。
5.为了达到上述目的，本实用新型提供一种可控模式光滤波器，包括基于硅波导的te0通/ 阻调控部件和te1通/阻调控部件，所述te0通/阻调控部件包括多个沿光入射方向阵列的第一鳍片，所述te1通/阻调控部件包括沿光入射方向延伸的第二鳍片，所述第二鳍片的外侧面与硅波导的侧面共面，所述第一鳍片和第二鳍片均由相变材料制成，通过调整所述第一鳍片的尺寸、数量和位置，形成一个te0通/阻调控部件中满足预定第一输出目标的短鳍片阵列，所述第一输出目标为相变材料在a态时te0模光、a态时te1模光及c态时te1模光的透过率之和与相变材料在c态时te0模光透过率的差值，通过调整所述第二鳍片的尺寸和数量，形成一个te1通/阻调控部件中满足预定第二输出目标的长鳍片结构，所述第二输出
目标为相变材料在a态时te0模光、a态时te1模光及c态时te0模光的透过率之和与相变材料为c 态时te1模光的透过率的差值。
6.优选的，两个所述第二鳍片关于硅波导上表面的中轴线对称设置。
7.优选的，所述相变材料为锗锑硒碲。
8.优选的，所述硅波导的宽度为1μm，高度为220nm，所述第一鳍片为六个同等尺寸的长方体，相邻的两个第一鳍片中心的间距为208nm，每个第一鳍片沿光入射方向的长度为 130nm，宽度为385nm，高度为340nm，第一鳍片整体沿光入射方向的轴心线与硅波导的轴心线平行设置。
9.优选的，所述第二鳍片沿光入射方向的长度为8μm，宽度为75nm，高度为340nm。
10.优选的，所述第二鳍片沿光入射方向的长度为3.52μm，宽度为112nm，高度为170nm。
11.本实用新型还提供一种可控模式光滤波器的优化方法，包括以下步骤：
12.确定初始优化结构：初始优化结构包括宽度为1μm的硅波导，五个沿光入射方向阵列的第一鳍片，在硅波导上表面的中轴线上等间距排列第一鳍片，对称设于硅波导上表面的中轴线两侧的第二鳍片，第一鳍片和第二鳍片均为长方体；
13.确定需优化的参数：第一鳍片需优化的参数为长、宽、高及相邻两个第一鳍片的中心间距，第二鳍片需优化参数为长、宽、高；
14.te0通/阻调控部件优化：确定第一鳍片需优化的四个参数的范围，由该四个参数范围即可构成第一参数空间，在第一参数空间的一个子空间中选择一定数量的点，即选择了该数量的参数组合，将第一鳍片的每一个参数组合输入到仿真模型中得到一个te0通/阻调控部件的结构，通过有限时域差分法计算得到每一个参数组合对应的te0/te1模式光分别在a态和c 态的透过率，由四个透射率计算出器件优化过程的第一输出目标，第一输出目标为相变材料在a态时te0模光、a态时te1模光及c态时te1模光的透过率之和与相变材料在c态时 te0模光透过率的差值；
15.te1通/阻调控部件优化：确定第二鳍片需优化的三个参数范围，由该三个参数范围即可构成第二参数空间，在第二参数空间的一个子空间中选择一定数量的点，即选择了该数量的参数组合，将第二鳍片的每一个参数组合输入到仿真模型中得到一个te1通/阻调控部件，通过有限时域差分法计算得到每一个参数组合对应的te0/te1模式光分别在a态和c态的透过率，由四个透射率计算出器件优化过程的第二输出目标，第二输出目标为相变材料在a态时 te0、模光a态时te1模光及c态时te0模光的透过率之和与相变材料为c态时te1模光的透过率的差值；
16.得到最终结构：基于第一输出目标收敛值和第二输出目标收敛值对应的最佳参数组合确定可控模式光滤波器的结构。
17.优选的，在得到最终结构步骤前还包括混合优化步骤，所述混合优化步骤包括：
18.将第一参数空间/第二参数空间的一个子空间内的参数组合与透过率的一一对应关系作为一个数据组，再将所有的数据组作为训练集喂给神经网络，利用神经网络训练得到在该参数子空间内“参数组合”到“透过率”的一般对应关系，即得到该参数空间内的神经网络代理模型；
19.将神经网络代理模型代入到寻优算法中，利用寻优算法计算出在此参数空间内使
得第一输出目标/第二输出目标最大的最优参数组合。
20.优选的，如果所述最优参数组合中有一个或者一个以上的参数取值为边界位置，则将参数空间更换到该边界的另一侧，再次重复te0通/阻调控部件优化、te1通/阻调控部件优化及混合优化步骤，直到“最优参数组合”中四个参数的取值均不在边界上，此时的“最优参数组合”即可作为最终优化结果。
21.优选的，在得到最终结构步骤前还包括鳍片数量优化步骤，所述鳍片数量优化步骤包括：
22.在确定最优参数组合之后，通过调整第一鳍片或第二鳍片的数量并仿真，得到在该最优参数组合下最优的鳍片数量。
23.本实用新型的有益效果是，本实用新型利用相变材料gsst控制两种模式光的通/阻，由于gsst的相变响应时间能够达到10ns量级，因此该可控模式光滤波器能够根据需求的变化实时地改变调控结果；可控模式光滤波器能实现“te0通te1阻”、“te1通te0阻”、“te0、 te1全阻”、“te0、te1全通”四种功能，能够通过单独调控“te0通/阻调控部件”和“te1通/阻调控部件”中gsst的相态，有效地实现同时对te0和te1模光的单独通/阻控制，从而大幅减少了需要配合设计的器件数量，利于光子器件大规模片上集成。
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te0通/阻调控部件的侧视结构示意图。
26.图3为图1所示的te0通/阻调控部件的俯视结构示意图。
27.图4为te0通/阻调控部件中te0、te1两种模式光的通/阻情况；其中“te0,a”标记的曲线为当gsst为a态时te0模光在该部件的透过率；“te1,a”为当gsst为a态时te1模光在该部件的透过率；“te0,c”为当gsst为c态时te0模光在该部件的透过率；“te1,c”为当gsst为c态时te1模光在该部件的透过率。
28.图5为图1所示的te1通/阻调控部件的侧视结构示意图。
29.图6为图1所示的te1通/阻调控部件的俯视结构示意图。
30.图7为te1通/阻调控部件中te0、te1两种模式光的通/阻情况；其中“te0,a”标记的曲线为当gsst为a态时te0模光在该部件的透过率；“te1,a”为当gsst为a态时te1模光在该部件的透过率；“te0,c”为当gsst为c态时te0模光在该部件的透过率；“te1,c”为当gsst为c态时te1模光在该部件的透过率。
31.图8为图1所示的实施例整体调控性能的计算结果；其中“te0,a-c”标记的曲线为当第一部分的gsst为a态，第二部分的gsst为c态时，te0模光在该部件的透过率；“te0,a-a”标记的曲线为当第一部分的gsst为a态，第二部分的gsst为a态时，te0模光在该部件的透过率；“te0,c-a”标记的曲线为当第一部分的gsst为c态，第二部分的gsst为a 态时，te0模光在该部件的透过率；“te0,c-c”标记的曲线为当第一部分的gsst为c态，第二部分的gsst为c态时，te0模光在该部件的透过率；“te1,a-c”标记的曲线为当第一部分的gsst为a态，第二部分的gsst为c态时，te1模光在该部件的透过率；“te1,a-a”标记的曲线为当第一部分的gsst为a态，第二部分的gsst为a态时，te1模光在该部件的透过率；“te1,c-a”标记的曲线为当第一部分的gsst为c态，第二部分的gsst为a 态时，te1模光在该部件的透过率；“te1,c-c”标记的曲
线为当第一部分的gsst为c态，第二部分的gsst为c态时，te1模光在该部件的透过率。
32.图9为实用新型其中另一实施例的结构示意图。
33.图10为图9所示的te1通/阻调控部件的侧视结构示意图。
34.图11为图9所示的te1通/阻调控部件的俯视结构示意图。
35.图12为图1所示的实施例整体调控性能的计算结果；此实施例中的te1通/阻调控部件是在长鳍片高度可变的情况下设计的；图中各标记的含义见图6的说明。
36.在图中，100、硅波导；1、第一鳍片；2、第二鳍片。
具体实施方式
37.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：
38.实施例一
39.请一并参阅图1-8，本实施例提供的可控模式光滤波器，包括基于硅波导100的te0通/ 阻调控部件和te1通/阻调控部件，所述te0通/阻调控部件包括六个沿光入射方向阵列的第一鳍片1，所述te1通/阻调控部件包括沿光入射方向延伸的第二鳍片2，所述第二鳍片2的外侧面与硅波导100的侧面共面，所述第一鳍片1和第二鳍片2均由锗锑硒碲(ge2sb2se4te， gsst)材料制成。
40.gsst是一种前文所述的相变材料，具有a(amorphous，非晶态)、c(crystalline，晶态)两种相态。当其受到外界影响(比如光、电、热)时，其光学性质，例如折射率和消光系数，会发生巨大的改变，从而实现对光很大幅度的调控。与传统的相变材料锗锑碲(gst) 不同，gsst相变材料用硒(se)元素替换了部分碲(te)元素，能在维持较大折射率差的前提下，在晶态和非晶态均做到红外透明，从而极大地降低了光损耗。与此同时，gsst材料还拥有更大的可相变体积。若想能够完全非晶化，gst纳米结构的厚度极限约为100纳米。相比传统相变材料gst，gsst材料本身更容易非晶化，这使得其不会被熔淬(melt-quench) 状态的降温速率影响。这就为器件中各结构参数提供了更大的设计空间。
41.在te0通/阻调控部件中，gsst鳍片的作用是通过其自身相态的改变来调控te0模光的通/阻。当gsst鳍片处于a态时，te0模光能够几乎无损耗地通过该部件，而gsst鳍片处于c态时，te0模光又几乎会被该部件全部吸收耗散掉；在te1通/阻调控部件中，gsst鳍片的作用是通过其自身相态的改变来调控te1模光的通/阻。当gsst鳍片处于a态时，te1模光能够几乎无损耗地通过该部件，而gsst鳍片处于c态时，te1模光又几乎会被该部件全部吸收耗散掉。
42.通过调整所述第一鳍片1的尺寸和位置，形成一个te0通/阻调控部件中满足预定第一输出目标fom1的短鳍片阵列，所述第一输出目标fom1为相变材料在a态时te0模光、a态时te1模光及c态时te1模光的透过率之和与相变材料在c态时te0模光透过率的差值。第一鳍片先用算法优化其尺寸和位置，使得fom1尽可能大，之后再根据所得最优fom1改变鳍片数量，得到最后结果。
[0043][0044]
其中，为当gsst为a态时te0模光在该部件的透过率；为当gsst 为a态时te1模光在该部件的透过率；为当gsst为c态时te0模光在该部件的透过率；-10.56db(大约8.8％)。四项指标均优于两部分鳍片高度一致情况下的设计结果。
[0056]
对于这两种模式滤波器，后续在实际使用时若想进一步降低串扰，则通过增加第一部分的鳍片数量和增长第二部分长鳍片的长度即可直接实现。
[0057]
根据以上结果和已有器件的对比可以看出，相较于其它方法设计的模式滤波器，本实用新型具有可调控、面积小、带宽大等优点。
[0058]
本实用新型提供一种可控模式光滤波器的优化方法，包括以下步骤：
[0059]
确定初始优化结构：初始优化结构包括宽度为1μm的硅波导，五个沿光入射方向阵列的第一鳍片，在硅波导上表面的中轴线上等间距排列第一鳍片，对称设于硅波导上表面的中轴线两侧的第二鳍片，第一鳍片和第二鳍片均为长方体。
[0060]
确定需优化的参数：第一鳍片需优化的参数为长l1、宽w1、高h1及相邻两个第一鳍片的中心间距d，第二鳍片需优化参数为长l2、宽w2及高h2。
[0061]
te0通/阻调控部件优化：确定一个由第一鳍片的长l1、宽w1、高h1及中心间距d四个参数的参数范围张成的参数子空间(例如长度l1∈[10,100]，宽度w1∈[200,300]，高度 h1∈[10,100]，中心间距d∈[100,200]，单位为nm，则此四个参数范围可以在四维空间中张成一个参数空间。由于该空间所包含的参数取值范围并不是l1、w1、h1、d预期的全部取值范围，例如,l1预期的全部取值范围为10nm～500nm，w1预期的全部取值范围为10nm～1000nm 等，因此该参数空间只是所有要调节的参数全部取值范围的一个子空间)；然后在此参数空间内随机产生一定数量的参数组合，即随机产生若干的“长—宽—高—中心间距”组合，之后将每一个参数组合输入到部件的仿真模型中得到一个部件构型，通过有限时域差分法计算得到每一个参数组合对应的te0/te1模式光分别在a态和c态的透过率(由于第一鳍片需要在不同的相态下对te0和te1模光进行不同的调控，因此要使用有限时域差分法计算鳍片处于a态和c态两种相态下时两种模式光的透过率，即每个“参数组合”共需计算四次)，由四个透射率计算出器件优化过程的第一输出目标fom1，第一输出目标fom1为相变材料在a 态时te0模光、a态时te1模光及c态时te1模光的透过率之和与相变材料在c态时te0模光透过率的差值；
[0062][0063]
其中，为当gsst为a态时te0模光在该部件的透过率；为当gsst 为a态时te1模光在该部件的透过率；为当gsst为c态时te0模光在该部件的透过率；为当gsst为c态时te1模光在该部件的透过率。
[0064]
te1通/阻调控部件优化：te1通/阻调控部件优化过程与te0通/阻调控部件一致，优化的参数为第二鳍片的长l2、宽w2及高h2；将第二鳍片的每一个参数组合输入到仿真模型中得到一个te1通/阻调控部件，通过有限时域差分法计算得到每一个参数组合对应的te0/te1模式光分别在鳍片处于a态和c态时的透过率，由四个透射率计算出器件优化过程的第二输出目标fom2，第二输出目标fom2为相变材料在a态时te0、a态时te1及c态时te0的透过率之和与相变材料为c态时te1的透过率的差值。
[0065]
[0066]
其中，为当gsst为a态时te0模光在该部件的透过率；为当gsst 为a态时te1模光在该部件的透过率；为当gsst为c态时te0模光在该部件的透过率；为当gsst为c态时te1模光在该部件的透过率。
[0067]
得到最终结构：基于第一输出目标收敛值和第二输出目标收敛值对应的最佳参数组合确定可控模式光滤波器的结构；fom的表达式表明，在器件优化过程中，提高想要保留的模式光的透过率和减小想要阻止的模式光的透过率同样重要，在算法优化过程中，fom函数是指导优化方向的重要指标，整个优化过程都是向着使fom函数增大的方向进行的。另外，关于优化终止的条件，一方面，算法的结果要达到一定程度的收敛，另一方面，fom函数的值要达到一定的预期，例如：fom》2.7，且的值要达到一定的预期，例如：fom》2.7，且
[0068]
更具体的，在得到最终结构步骤前还包括混合优化步骤，所述混合优化步骤包括：
[0069]
将得到的参数组合与透过率的一一对应关系作为一个数据组，再将所有的数据组作为训练集喂给神经网络，利用神经网络训练得到在该参数子空间内“参数组合”到“透过率”的一般对应关系，即得到该参数空间内的神经网络代理模型；
[0070]
将神经网络代理模型代入到寻优算法中，利用寻优算法计算出在此参数空间内使得fom 函数值最大的最优参数组合。
[0071]
由于te1通/阻调控部件混合优化过程与te0通/阻调控部件一致，以te0通/阻调控部件的混合优化步骤为例，将得到的“参数组合(长l1、宽w1、高h1及中心间距d)”与“透过率”的一一对应关系作为一个“数据组”，再将所有的“数据组”作为训练集喂给神经网络。利用神经网络训练得到在该参数空间内“参数组合”到“透过率”的一般对应关系，即得到该参数空间内的“神经网络代理模型”。神经网络代理模型的意义是，当给定一个新的“参数组合”时，可以快速地得到四个透过率(gsst处于a态和c态两种相态下两种模式光的透过率)的数值，而不需要再通过有限时域差分法计算四次，从而大幅加快了优化速度，也使得多参数同时优化能够实现。得神经网络到代理模型后，将神经网络代理模型代入到粒子群优化算法(pso)中，即可利用粒子群优化算法计算出在此参数空间内使得fom函数值最大的“最优参数组合”。
[0072]
在本实施例中，寻优算法采用粒子群优化算法，粒子群优化算法计算的速度快，也便于代码实现。可以理解的是，在混合优化步骤中还可以用遗传算法、模拟退火算法或蚁群算法替代粒子群优化算法进行。
[0073]
更具体的，如果“最优参数组合”中有一个或者一个以上的参数取值为边界位置，则将参数空间更换到该边界的另一侧(例如，原参数空间为：l∈[10,100]，w∈[200,300]， h∈[10,100]，d∈[100,200]，单位为nm，优化完成后得到的“最优参数组合”中，长度取值为100，其余参数取值均不在边界上，则更换参数空间为l∈[100,200]，w∈[200,300]， h∈[10,100]，d∈[100,200])，再次重复te0通/阻调控部件优化、te1通/阻调控部件优化及混合优化步骤，直到“最优参数组合”中四个参数的取值均不在边界上，此时的“最优参数组合”即可考虑作为最终优化结果。
[0074]
更具体的，在得到最终结构步骤前还包括鳍片数量优化步骤，所述鳍片数量优化步骤包括：
[0075]
在确定最优参数组合之后，通过调整第一鳍片或第二鳍片的个数并仿真，根据结果综合考虑te0/te1模式光分别在a态和c态的透过率，即可得到在该最优参数组合下最优的鳍片个数。
[0076]
考虑到加工的便捷性，第一鳍片和第二鳍片均设于硅波导100的顶面，且高度保持一致。可以理解的是，将第一鳍片1设于硅波导100的顶面，第二鳍片2设置在硅波导100的侧面也能优化设计出te1通/阻调控部件。
[0077]
一、本实用新型利用相变材料gsst控制两种模式光的通/阻，由于gsst的相变响应时间能够达到10ns量级，因此该器件能够根据需求的变化实时地改变调控结果。
[0078]
二、本实用新型在一个器件上实现了“te0通te1阻”、“te1通te0阻”、“te0、te1全阻”、“te0、te1全通”四种功能，能够通过单独调控“te0通/阻调控部件”和“te1通 /阻调控部件”中gsst的相态，有效地实现同时对te0和te1模光的单独通/阻控制，从而大幅减少了需要配合设计的器件数量，利于光子器件大规模片上集成。
[0079]
三、本实用新型通很大程度上解决了传统器件尺寸过大的弊端。
[0080]
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。