任意方向和通道的超紧凑功率分束器

技术领域

本申请涉及功率器件技术领域，特别是涉及一种任意方向和通道的超紧凑功率分束器。

背景技术

随着信息的飞速发展，为满足海量信息存储，快速信息传输和超高速信息处理的速度和带宽需求，光互连取代电互连是技术发展的必然趋势。功率分束器在光互连以及光通信系统中作为不可或缺的一部分，吸引了大量的研究人员的注意。功率分配器是一种将一路输入信号能量分成多路输出相等或不相等能量的器件，在纳米光子器件的多功能应用和组合应用中发挥重要作用。

在一些传统的设计方法中，虽然都有着不错的结果，但是都需要手动调节参数，需要依靠设计者的经验和直觉。同时设计出的器件尺寸很大，在实际应用中不够便捷，不利于芯片的高密度集成。最近兴起的使用算法来实现逆向设计的方法，大大提高了设计效率和效果，减小了设备的尺寸。然而，由于输出端口数量的限制，仅仅通过1x2功率分束器无法达到某些输出端口数量。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决输出通道和输出方向限制的任意方向和通道的超紧凑功率分束器。

一种任意方向和通道的超紧凑功率分束器，所述功率分束器包括多个子功率分束器的输出端口连接组成，以此实现任意方向和通道的组合；

所述子功率分束器包括硅衬底、二氧化硅层以及硅层；所述二氧化硅层覆盖在所述硅衬底上，所述硅层附着在所述二氧化硅层上；所述子功率分束器包括三个输出端口；

所述硅层被划分为多个像素点，所述像素点的状态包含刻蚀状态或者没有刻蚀状态；所述像素点的状态是通过二进制搜索算法进行确定的。

在其中一个实施例中，还包括：随机设置所述像素点的状态；刻蚀状态表示0，没有刻蚀状态表示1；

根据三个输出端口的透射率，设置品质因数函数；

逐一改变每个所述像素点的状态，若所述品质因数函数的输出值增大，则保留所述像素点的状态，若否则设置为原始值，直到所述品质因数函数的最大，确定所述像素点的状态。

在其中一个实施例中，根据三个输出端口的均方根误差平衡三个输出端口的输出，得到第一品质因数分量为：

其中，t

根据三个输出端口的透射率的关系，得到第二品质因数分量为：

T＝(t

其中，t

根据所述第一品质因数分量和所述第二品质因数分量得到品质因数函数为：

其中，FOM表示品质因数函数，α，β，γ分别表示权重。

在其中一个实施例中，所述子功率分束器包括：三个向右的输出波导功率分束器，一个向左的输出波导和两个向下的输出波导功率分束器，一个向右的输出波导一个向左的输出波导以及一个向下的输出波导功率分束器。

在其中一个实施例中，所述子功率分束器还与均匀输出功率分束器进行连接，得到组合功率分束器。

在其中一个实施例中，所述二氧化硅的厚度为3μm，所述硅层的面积为 2.4μm x2.4μm。

在其中一个实施例中，所述像素点的个数为20x20个，每个像素点为边长是120nm的正方形。

在其中一个实施例中，所述刻蚀状态的像素点为直径为90nm且深度为 220nm的圆孔。

上述任意方向和通道的超紧凑功率分束器，通过对多个可能方向的三个输出端口的功率分束器进行设计，从而可以满足多种可能通道的功率分束器，设计方法采用的是二进制搜索算法，直接在像素点上进行设计，大大的降低了设备尺寸，便于光子芯片的集成设计，而且更加全面的将器件和组合设计理念在纳米光子器件的多功能应用和组合应用中进行应用。

附图说明

图1为一个实施例中RRRPS的优化结果图；其中，(a)设计优化之前的初始硅片，(b)最终的优化结构，(c)是RRRPS每个端口的IL，(d)为最后模拟的光场分布；

图2为一个实施例中LLDDPS和LDDPS的仿真结果图；(a)-(c)分别是 LLDDPS每个端口的俯视图，光场分布和IL，(d)-(f)分别是LDDPS每个端口的俯视图，光场分布和IL；

图3为一个实施例中LRDPS的优化结果图；(a)设计优化之前的初始硅片， (b)最终的优化结构；

图4为一个实施例中1×6功率分配器的仿真结果图；(a)-(c)分别是每个输出端口的俯视图，光场分布和IL。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种任意方向和通道的超紧凑功率分束器，功率分束器包括多个子功率分束器的输出端口连接组成，以此实现任意方向和通道的组合；值得说明的是，多个子功率分束器的输出端口连接可以连接，也可以与目前具有稳定输出的1x2功率分束器进行组合，实现任意方向和通道的组合，再次不做具体限定。

子功率分束器包括硅衬底、二氧化硅层以及硅层；二氧化硅层覆盖在硅衬底上，硅层附着在二氧化硅层上；子功率分束器包括三个输出端口；子功率分束器采用的基于绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)上平台来设计的。

硅层被划分为多个像素点，像素点的状态包含刻蚀状态或者没有刻蚀状态；像素点的状态是通过二进制搜索算法进行确定的。

上述任意方向和通道的超紧凑功率分束器，通过对多个可能方向的三个输出端口的功率分束器进行设计，从而可以满足多种可能通道的功率分束器，设计方法采用的是二进制搜索算法，直接在像素点上进行设计，大大的降低了设备尺寸，便于光子芯片的集成设计，而且更加全面的将器件和组合设计理念在纳米光子器件的多功能应用和组合应用中进行应用。

在其中一个实施例中，二进制搜索算法的步骤包括：

随机设置像素点的状态；刻蚀状态表示0，没有刻蚀状态表示1；根据三个输出端口的透射率，设置品质因数函数；逐一改变每个像素点的状态，若品质因数函数的输出值增大，则保留像素点的状态，若否则设置为原始值，直到品质因数函数的最大，确定像素点的状态。

具体的，没有刻蚀表示保留硅，刻蚀了表示为空气。

在其中一个实施例中，根据三个输出端口的均方根误差平衡三个输出端口的输出，得到第一品质因数分量为：

其中，t

根据三个输出端口的透射率的关系，得到第二品质因数分量为：

T＝(t

其中，t

根据第一品质因数分量和第二品质因数分量得到品质因数函数为：

其中，FOM表示品质因数函数，α，β，γ分别表示权重。

具体的，上述品质因数函数中，需要函数T的值增大，即输出的透射率增大，并且需要R的值减小，来达到三个端口输出尽量平衡的目的。在理想情况下，FOM的值应该为1。当FOM不再提升时，迭代停止。同时，将IL设置为代表每个输出波导的插入损耗：

在其中一个实施例中，子功率分束器包括：三个向右的输出波导功率分束器，一个向左的输出波导和两个向下的输出波导功率分束器，一个向右的输出波导一个向左的输出波导以及一个向下的输出波导功率分束器。

以下进行具体说明，具有三个向右的输出波导(RRRPS)，具体初始结构和最后优化后的结构如图1(a)-(b)所示。图1(c)显示了RRRPS每个端口的插入损耗。可以看出，在1530nm-1560nm的波长范围内，每个端口的插入损耗小于5.55dB。从图1(d)中RRRPS的光场分布可以看出，该器件已经达到了功率分配的效果。

第二个1×3功率分束器有着一个向左的输出波导和两个向下的输出波导(LDDPS)。此外，还展示了具有相同功能，但是尺寸较大的另一个设备 (LLDDPS)。在DBS算法中，圆孔的作用是：光从输入波导输入，在多模波导中，可以使用圆孔来影响折射率，从而调整光场。更大的占用空间像素也会增多，对像素分布的控制能力也会增加。所以，增加内存占用会提高最后的性能。因此，如果考虑占用空间，应该使用LDDPS，因为它几乎是最小的1×3功率分配器。如果考虑性能，应该选择LLDDPS，因为它们的IL较低。在实际应用中，可以根据不同的需求进行不同的选择。最后两个设备的优化后的结构如图2(a) 和图2(d)所示。图2(c)和(f)分别展示了两个设备最后的光场分布。图2(b)和(e) 分别展示了两个设备最后的插入损耗。LDDPS最后的插入损耗小于5.49dB。 LLDDPS最后的插入损耗小于5.40dB。可以看出最后的性能有着差异，因此，有必要通过实际应用选择更小的尺寸或更好的性能。

第三个1×3功率分束器有着一个向右的输出波导一个向左的输出波导以及一个向下的输出波导(LRDPS)。具体初始结构和最后优化后的结构如图3(a)-(b) 所示。

在其中一个实施例中，子功率分束器还与均匀输出功率分束器进行连接，得到组合功率分束器。

具体的，完成不同输出方向上的1×3功率分配器的优化后，可以根据实际需要对其进行组合。当将设计与优化的1×2功率分配器组合在一起时，可以实现任何通道的功率分配器。由于有多种组合方式，因此在这里展示了一个1×6 功率分配器。首先将带符号的1×2功率分配器和RRRPS进行简单组合，然后进一步优化仿真。图4(a)是优化的结构，并且还给出了图4(b)中的光场分布。如图4(c)所示，每个端口的IL小于8.82dB，并且均匀度非常大。进一步的优化过程提供了一种提高组装设备性能的有效方法。

在其中一个实施例中，二氧化硅的厚度为3μm，硅层的面积为2.4μm x 2.4μm。

在其中一个实施例中，像素点的个数为20x20个，每个像素点为边长是 120nm的正方形。

在其中一个实施例中，刻蚀状态的像素点为直径为90nm且深度为220nm 的圆孔。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。