CN115576100A - 一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法 - Google Patents

一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法 Download PDF

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杨子荣
廖俊鹏
金庆辉
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Abstract

本发明公开了一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，特点是包括设计片上模式转换器的初始结构从左到右依次为一个输入波导、一个多边形设计区域和一个输出波导并在设计区域上边界、下边界或上下边界分别***若干个离散优化点x的步骤；利用三维时域有限差分法对模式转换器进行第一次正向传输模拟和第二次伴随模拟仿真，相应获取初始电场和伴随电场，算优化点的品质因数变化值△FOM的步骤；最后利用计算公式对若干个边缘优化点在y轴上的位置进行迭代计算，直至ΔFOM小于1×10‑5，即设计出所需的片上模式转换器的步骤，优点是耗时短、设计效率高且设计的产品具有尺寸小、损耗低、工作宽带大和转换效率高。

Description

一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法
技术领域
本发明属于硅基光子器件智能设计，尤其是涉及一种基于逆向设计的片上模式转换器及测试方法。
背景技术
数字信息技术的高速发展，对数据中心的传输容量以及能耗提出了更高的要求。为实现高容量、低损耗以及低成本的芯片上数据传输，基于硅基光子平台的模式复用/解复用技术成为了科研界和工业界的研究热点。其中，具有高转换效率、低损耗的硅基模式转换器是实现这一技术的重要前提。
目前已报道的模式转换器多采用传统的设计方法，利用特定的结构，如锥形定向耦合器、非对称Y分支以及多模干涉耦合器等来实现芯片上的模式转换。但是，以上所述三种器件尺寸通常较大，所采用的设计方法往往依赖于设计人员的经验，在结构设计和参数优化上耗费大量时间。此外，当设计目标，即目标模式发生变化时，往往需要针对结构重新设计和优化，大量的重复性工作致使设计效率较低。因此，片上模式转换器在器件尺寸、转换效率等方面的问题亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耗时短、设计效率高且设计复杂度相对较低的基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，该模式转换器具有尺寸小、损耗低和工作宽带大以及转换效率高的良好性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，包括以下步骤：
(1)设计片上模式转换器的初始结构从左到右依次为一个输入波导、一个用于模式转换的多边形设计区域和一个输出波导；
(2)建立平面坐标系，在步骤(1)所述的多边形设计区域上边界或者下边界或者上下边界***若干个离散优化点x，通过调节优化点x在y轴方向上的位置对模式转换器进行边缘优化；
(3)将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法 (Three-dimensional finite-difference time-domain，3D-FDTD)对模式转换器进行第一次正向传输模拟，获取设计区域中优化点处的初始电场切向分量E||(x)和初始电位移矢量的法向分量D⊥(x)；
(4)将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，获取设计区域中优化点处的伴随电场的切向分量
Figure RE-GDA0003919856930000021
和伴随电位移矢量的法向分量
Figure RE-GDA0003919856930000022
(5)计算优化点x的品质因数变化值ΔFOM，计算公式如下：
Figure RE-GDA0003919856930000023
其中，Δxn(x) 为第n个优化点在y轴方向上的位置变化量，εsi为硅材料的介电常数，
Figure RE-GDA0003919856930000024
为二氧化硅材料的介电常数，E||(x)为初始电场的切向分量，D⊥(x)为初始电位移矢量的法向分量，
Figure RE-GDA0003919856930000025
为伴随电场的切向分量，
Figure RE-GDA0003919856930000026
为伴随电位移矢量的法向分量，dA是对初始设计区域的边界进行积分；
(6)通过不断地调整优化点x在y轴方向上的位置来对模式转换器进行边缘形状优化，具体为在Python编程语言中，利用步骤(5)计算公式对***的优化点x在y轴上的位置进行迭代计算，直至所有***的离散优化点的ΔFOM小于1×10-5，即设计出所需的片上模式转换器。此时，输出光场中横向电场一阶模(TE1)的归一化功率趋近于目标功率1，归一化功率＝输出功率/源功率，没有损耗两者相等就是1。
进一步，步骤(3)具体为将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法(Three-dimensional finite-difference time-domain，3D-FDTD)对模式转换器进行第一次正向传输模拟，利用Lumerical软件获取设计区域中优化点处的初始电场E(x)和初始电位移矢量D(x)，再利用Python编程语言计算获得设计区域中优化点处的初始电场的切向分量E||(x)和初始电位移矢量的法向分量D⊥(x)。
进一步，步骤(4)具体为：将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，利用Lumerical软件获取设计区域中优化点处的伴随电场Eadj(x)和伴随电位移矢量Dadj(x)，再利用Python编程语言计算获得设计区域中优化点处的伴随电场的切向分量
Figure RE-GDA0003919856930000031
和伴随电位移矢量的法向分量
Figure RE-GDA0003919856930000032
进一步，所述的输入波导的宽度为0.5μm，所述的输出波导的宽度为1.5μm。
进一步，所述的输入波导、所述的多边形设计区域和所述的输出波导的材料均为硅。
进一步，所述的片上模式转换器整体总厚度为220nm且其上层覆盖了1μm厚的二氧化硅包层。
进一步，所述的片上模式转换器的耦合长度为12-30μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，利用逆向设计方法使模式转换器在占有较小器件空间尺寸的同时，具有宽带宽、低损耗、高转换效率、高设计效率等优势；通过该设计的模式转换器，可以设计片上的测试结构，可以对模式转换器的转换效率直接测试，无需再接入复杂的外部测试***，例如无需接入红外CCD来捕获输出光场，该设计方法具有耗时短、设计效率高且设计复杂度相对较低，设计的模式转换器具有设计效率高、宽带宽、低损耗、高转换效率等优势。
附图说明
图1为本发明基于逆向设计的片上模式转换器的设计流程图，根据修改后的相应调整；
图2为本发明基于伴随法优化后的TE0-TE1转换器结构示意图；
图3为本发明TE0-TE1转换器的不同耦合长度在中心波长1550nm处仿真输出功率及耦合长度为12μm、16μm、20μm在1550nm处测试输出功率图；
图4为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1550nm处仿真电场图；
图5为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1600nm工作带宽内仿真输出功率曲线图；
图6为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为12μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图；
图7为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为12μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图；
图8为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图；
图9为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图；
图10为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为20μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图；
图11为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为20μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图.
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一、具体实施例
一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，如图1所示包括以下步骤：
步骤一：设计片上模式转换器的初始结构从左到右依次为一个输入波导、一个用于模式转换的多边形设计区域和一个输出波导；
步骤二：建立平面坐标系，设计区域为10μm×1.5μm，在设计区域上下边界分别***100个离散优化点x，通过调节优化点x在y轴方向上的位置对模式转换器进行边缘优化；
步骤三：将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法(Three-dimensional finite-difference time-domain，3D-FDTD)对模式转换器进行第一次正向传输模拟，获取设计区域中优化点处的切向分量初始电场E||(x)和法向分量初始磁场 D⊥(x)；具体为将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法(Three-dimensional finite-difference time-domain，3D-FDTD)对模式转换器进行第一次正向传输模拟，利用Lumerical软件获取设计区域中优化点处的初始电场E(x)和初始电位移矢量D(x)，再利用Python编程语言计算获得计区域中优化点处的初始电场的切向分量E||(x)和初始电位移矢量的法向分量D⊥(x)。
步骤四：将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，获取设计区域中优化点处的切向分量伴随电场
Figure RE-GDA0003919856930000051
法向分量伴随磁场
Figure RE-GDA0003919856930000052
具体为：将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，利用 Lumerical软件获取设计区域中优化点处的伴随电场Eadj(x)和伴随电位移矢量Dadj(x)，再利用Python编程语言计算获得设计区域中优化点处的伴随电场的切向分量
Figure RE-GDA0003919856930000053
和伴随电位移矢量的法向分量
Figure RE-GDA0003919856930000054
步骤五：计算优化点x的品质因数变化值ΔFOM，计算公式如下：
Figure RE-GDA0003919856930000055
其中，Δxn(x)为第n 个优化点在y轴方向上的位置变化量，εsi为硅材料的介电常数，
Figure RE-GDA0003919856930000056
为二氧化硅材料的介电常数，E||(x)为优化点切向分量初始电场，D⊥(x)为优化点法向分量初始磁场，
Figure RE-GDA0003919856930000057
为优化点切向分量伴随电场，
Figure RE-GDA0003919856930000058
为优化点法向分量伴随磁场，dA是对初始设计区域的边界进行积分；
步骤六：通过不断地调整优化点x在y轴方向上的位置来对模式转换器进行边缘形状优化，具体为在Python编程语言中，利用步骤五计算公式对***的优化点x在y轴上的位置进行迭代计算，直至所有***的离散优化点的ΔFOM小于1×10-5，即设计出所需的片上模式转换器(TE0-TE1转换器)。此时，输出光场中横向电场一阶模(TE1)的归一化功率趋近于目标功率1，归一化功率＝输出功率/源功率，没有损耗两者相等就是1。将具横向电场基模(TE0)从左侧输入波导处入射，设计目标可以由品质因数FOM表示，定义品质因数FOM为输出光场中TE1模式的归一化功率。品质因数变化值ΔFOM为任一个优化点在y轴方向上的相邻两次位置变化测得的品质因数变化值。
图2为本发明基于伴随法优化后的TE0-TE1转换器结构示意图。该模式转换器利用逆向设计方法，经过30次迭代得到最佳边界参数，获得所需的模式转换器。
上述输入波导的宽度为0.5μm，输出波导的宽度为1.5μm。输入波导、多边形设计区域和输出波导的材料均为硅。片上模式转换器整体总厚度为220nm且其上层覆盖了1 μm厚的二氧化硅包层。
二、结果分析
1、TE0-TE1转换器的不同耦合长度仿真输出功率部分说明
图3为本发明TE0-TE1转换器的不同耦合长度在中心波长1550nm处仿真输出功率及耦合长度为12μm、16μm、20μm在1550nm处测试输出功率图。该模式转换器的耦合长度范围设置为12μm～30μm。在耦合长度范围内，TE0-TE1转换器的上端口(图4 中(1)箭头所指示的方法)、下端口(图4中(3)箭头所指示的方法)输出功率均在 -3dB处波动，则其性能较为稳定。中间端口(图4中(2)箭头所指示的方法)输出功率保持在-29.4dB以下，中间波导基本不存在耦合光。图中，耦合长度为12μm、16μm、 20μm在1550nm处测试的上、下端口输出功率与相应的仿真输出功率基本一致，中间端口的测试输出功率比相应的仿真输出功率损耗大。TE0-TE1转换器的不同耦合长度不影响输出分光比。
图4为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1550nm处仿真电场图。TE0从输入波导进入，经设计区域后转换为TE1。图中(a)处完成TE0转换为TE1，(b)处将 TE1的两个模斑分离，分别进入耦合部分(c)处的上、下波导中。其中，上、下波导内的两个模斑的相位保持不变且相差π。(d)处为矩形波导结构保证上、下波导内的两个模斑不会相互耦合。图中(1)、(3)分别为上、下波导模斑，(2)为中间波导，其几乎不存在耦合光。
图5为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1600nm工作带宽内仿真输出功率曲线图。在1500nm～1600nm工作带宽内，上、下端口的输出功率均在-3dB 处波动，中间波导输出功率保持在-17.2dB以下。在中心波长1550nm处，上、下端口及中间端口输出功率分别为-2.9dB、-3.0dB、-28.9dB。TE0-TE1转换器的上、下端口仿真输出功率基本保持一致。
2、TE0-TE1转换器耦合长度分别为12μm、16μm、20μm各个端口的测试输出功率及***损耗(Insertion Loss)部分说明：
所述的模式转化器测试方法为：将制作SOI器件的输入及输出端口上方对准光纤，然后将1500nm～1600nm波段内的可调谐激光源注入输入端口并测试各个输出端口的功率。
图6为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为12μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图。在65nm工作带宽内，上端口输出功率保持在-4.1dB以上，下端口输出功率在-4.4dB以上，中间端口输出功率在-18.0dB以下。在1550nm处，上、下端口及中间端口输出功率分别为-3.2dB、-2.6dB、-21.9dB。
图7为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为12μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图。***损耗(IL)表达式为：
IL＝10·log10(Tup/10+Tdown/10) (3)
其中，Tup、Tdown分别为TE0-TE1转换器上、下端口的归一化输出功率。IL在数值上具有转换效率意义。在65nm带宽内，***损耗保持在-1.2dB以上。
图8为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图。在65nm工作带宽内，上端口输出功率最小为-4.5dB，下端口输出功率最小为-3.8dB，中间端口输出功率最大为-15.0dB。在1550nm处，上、下端口及中间端口输出功率分别为-3.5dB、-3.0dB、-16.8dB。
图9为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为16μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图。在65nm带宽内，***损耗保持在-0.7dB以上。
图10为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为20μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试输出功率曲线图。在65nm工作带宽内，上端口输出功率最小为-4.0dB，下端口输出功率最小为-4.0dB，中间端口输出功率最大为-13.7dB。在1550nm处，上、下端口及中间端口输出功率分别为-3.4dB、-3.6dB、-16.0dB。
图11为本发明TE0-TE1转换器耦合长度为20μm在1500nm～1565nm工作带宽内测试***损耗曲线图。在65nm带宽内，***损耗保持在-0.9dB以上。
本发明提出基于逆向设计的片上模式转换器及测试方法。所述的TE0-TE1转换器利用边缘形状智能优化设计方法，经过30次迭代得到最佳边界参数，获得所需的模式转换器，实现模式转换器高设计效率、大带宽、低损耗，高转换效率等性能。通过对TE0-TE1转换器不同耦合长度进行仿真，表明耦合长度的不同对输出功率无影响。通过实验测试，验证TE0-TE1转换器能够高效率实现模式转换。本发明通过仿真、测试两个过程实现TE0-TE1转换器的高性能。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)设计片上模式转换器的初始结构从左到右依次为一个输入波导、一个用于模式转换的多边形设计区域和一个输出波导；
(2)建立平面坐标系，在步骤(1)所述的多边形设计区域上边界或者下边界或者上下边界***若干个离散优化点x，通过调节优化点x在y轴方向上的位置对模式转换器进行边缘优化；
(3)将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法对模式转换器进行第一次正向传输模拟，获取设计区域中优化点处的初始电场切向分量E||(x)和初始电位移矢量的法向分量D⊥(x)；
(4)将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，获取设计区域中优化点处的伴随电场的切向分量
Figure RE-FDA0003919856920000011
和伴随电位移矢量的法向分量
Figure RE-FDA0003919856920000012
(5)计算优化点x的品质因数变化值△FOM，计算公式如下：
Figure RE-FDA0003919856920000013
其中，Δxn(x)为第n个优化点在y轴方向上的位置变化量，εsi为硅材料的介电常数，
Figure RE-FDA0003919856920000014
为二氧化硅材料的介电常数，E||(x)为初始电场的切向分量，D⊥(x)为初始电位移矢量的法向分量，
Figure RE-FDA0003919856920000015
为伴随电场的切向分量，
Figure RE-FDA0003919856920000016
为伴随电位移矢量的法向分量，dA是对初始设计区域的边界进行积分；
(6)通过不断地调整优化点x在y轴方向上的位置来对模式转换器进行边缘形状优化，具体为在Python编程语言中，利用步骤(5)计算公式对***的优化点x在y轴上的位置进行迭代计算，直至所有***的离散优化点的ΔFOM小于1×10-5，即设计出所需的片上模式转换器。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于步骤(3)具体为：将光源从输入波导正向传输到输出波导，利用三维时域有限差分法对模式转换器进行第一次正向传输模拟，利用Lumerical软件获取设计区域中优化点处的初始电场E(x)和初始电位移矢量D(x)，再利用Python编程语言计算获得设计区域中优化点处的初始电场的切向分量E||(x)和初始电位移矢量的法向分量D⊥(x)。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于步骤(4)具体为：将输入波导上的光源放在输出波导截面上，逆向辐射至优化点，利用三维时域有限差分法进行第二次伴随模拟仿真，利用Lumerical软件获取设计区域中优化点处的伴随电场Eadj(x)和伴随电位移矢量Dadj(x)，再利用Python编程语言计算获得设计区域中优化点处的伴随电场的切向分量
Figure RE-FDA0003919856920000021
和伴随电位移矢量的法向分量
Figure RE-FDA0003919856920000022
4.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于：所述的输入波导的宽度为0.5μm，所述的输出波导的宽度为1.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于：所述的输入波导、所述的多边形设计区域和所述的输出波导的材料均为硅。
6.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于：所述的片上模式转换器整体总厚度为220nm且其上层覆盖了1μm厚的二氧化硅包层。
7.根据权利要求1所述的一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法，其特征在于：所述的片上模式转换器的耦合长度为12-30μm。
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