本發(fā)明屬于光通信，具體涉及基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，還涉及上述交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的無(wú)線光通信技術(shù)因其信道干擾強(qiáng)烈，未來(lái)的發(fā)展具有一定的局限性。而相干光通信技術(shù)具有高帶寬、低延遲和更好的抗干擾性能，為未來(lái)光通信需求提供了可持續(xù)的解決方案。

2、在相干光通信系統(tǒng)中，交叉波導(dǎo)是光器件互聯(lián)中重要的一個(gè)光學(xué)器件，相較于正向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)，采用逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)將會(huì)大幅度提高器件的集成度。薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的芯層與包層的折射率差較大，光在多模波導(dǎo)中傳輸時(shí)透射率增加、傳播損耗和串?dāng)_降低。因此，在薄膜鈮酸鋰平臺(tái)上，采用逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化交叉波導(dǎo)的耦合區(qū)，可設(shè)計(jì)低損耗、低串?dāng)_高透射率和te0或tm0模式傳輸?shù)慕徊娌▽?dǎo)。

3、基于此，本申請(qǐng)?zhí)岢隽嘶谀嫦蛟O(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)中的交叉波導(dǎo)相比較，該交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成度高、透射率高、傳輸損耗和串?dāng)_低。

2、本發(fā)明的另一目的是提供上述交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)耦合區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，提高了器件的透射率，減小了器件傳輸損耗和串?dāng)_。

3、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括整體下包層和交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)，交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置于整體下包層上方；

4、交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)包括耦合區(qū)域，圍繞耦合區(qū)域一周分布有一路輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)均垂直于耦合區(qū)域端面設(shè)置且均與耦合區(qū)域中心位置相連接；

5、耦合區(qū)域上端面還設(shè)置有刻蝕孔洞。

6、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

7、整體下包層厚度為3μm～7μm；耦合區(qū)域的初始長(zhǎng)度為1μm～3μm，初始寬度為1μm～3μm，厚度為0.25μm～0.35μm；輸入波導(dǎo)寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm；輸出波導(dǎo)的寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm。

8、整體下包層上采用二氧化硅材料，整體下包層的尺寸不小于交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)的尺寸，耦合區(qū)域采用薄膜鈮酸鋰材料。

9、輸入波導(dǎo)的輸入模式為te0或tm0光源。

10、本發(fā)明所采用的第二個(gè)技術(shù)方案為：基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下：

11、步驟1、在fdpd軟件上設(shè)計(jì)初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

12、步驟2、計(jì)算初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子fom；

13、步驟3、采用直接二進(jìn)制搜索算法優(yōu)化初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到性能最優(yōu)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

14、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

15、步驟中初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如下：包括整體下包層和交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)，交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置于整體下包層上方，交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)包括耦合區(qū)域，圍繞耦合區(qū)域一周分布有一路輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)均垂直于耦合區(qū)域端面設(shè)置且均與耦合區(qū)域中心位置相連接；

16、整體下包層厚度為3μm～7μm；耦合區(qū)域的初始長(zhǎng)度為1μm～3μm，初始寬度為1μm～3μm，厚度為0.25μm～0.35μm；輸入波導(dǎo)寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm；輸出波導(dǎo)的寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm；

17、整體下包層上采用二氧化硅材料；耦合區(qū)域采用薄膜鈮酸鋰材料；輸入波導(dǎo)的輸入模式為te0或tm0光源；

18、耦合區(qū)域上端面還設(shè)置有刻蝕孔洞。

19、初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子fom的計(jì)算過程如下：

20、步驟2.1、設(shè)置初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)的輸入光源為te0，計(jì)算與輸入波導(dǎo)共線的輸出波導(dǎo)4的透射率toe；

21、步驟2.2、設(shè)置初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光源為tm0，計(jì)算與輸入波導(dǎo)共線的輸出波導(dǎo)的透射率tom；

22、步驟2.3、將toe與tom的乘積得到品質(zhì)因子fom。

23、初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化步驟如下：

24、步驟3.1、將初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域分割成m個(gè)長(zhǎng)度和寬度均為xμm、高度為yμm的像素點(diǎn)，通過“0”，“1”編碼的方式記錄設(shè)計(jì)耦合區(qū)域所有像素點(diǎn)的初始狀態(tài)，“0”為不刻蝕孔洞，“1”為刻蝕孔洞；

25、步驟3.2、設(shè)置初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域所有像素點(diǎn)均為“0”；

26、步驟3.3、改變耦合區(qū)域第一個(gè)像素點(diǎn)的狀態(tài)為“1”，按照步驟2中初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子fom的計(jì)算過程，計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子fom1；

27、步驟3.4、將品質(zhì)因子fom1與步驟2.3中獲取的品質(zhì)因子fom進(jìn)行比較，若品質(zhì)因子fom1大于品質(zhì)因子fom，則保留耦合區(qū)域第一個(gè)像素點(diǎn)的狀態(tài)為1，即對(duì)第一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行刻蝕，若品質(zhì)因子fom1不大于品質(zhì)因子fom，則設(shè)置耦合區(qū)域第一個(gè)像素點(diǎn)的狀態(tài)為0，即第一個(gè)像素點(diǎn)為不刻蝕孔洞；

28、步驟3.5、接著設(shè)置耦合區(qū)域第二個(gè)像素點(diǎn)的狀態(tài)為“1”，重復(fù)步驟2計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)品質(zhì)因子fom2，比較品質(zhì)因子fom2與品質(zhì)因子fom1的大小，確定耦合區(qū)域第二個(gè)像素點(diǎn)的狀態(tài)；

29、步驟3.6、按照步驟3.5遍歷耦合區(qū)域中m個(gè)像素點(diǎn)，直至“品質(zhì)因子”不在發(fā)生變化則停止迭代，若遍歷耦合區(qū)域中m個(gè)像素點(diǎn)后，還未至“品質(zhì)因子”不在發(fā)生變化狀態(tài)，則需要返回到第一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行下一輪的迭代，直至“品質(zhì)因子”不在發(fā)生變化則停止迭代，此狀態(tài)下的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)則為最優(yōu)交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

30、步驟3.1中耦合區(qū)域中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為400個(gè)，單個(gè)像素點(diǎn)的長(zhǎng)度和寬度均為0.1μm、高度為0.22μm。

31、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，交叉波導(dǎo)主體的耦合區(qū)域通過采用直接二進(jìn)制搜索算法優(yōu)化，從而使耦合區(qū)域的形狀變?yōu)槎S碼結(jié)構(gòu)，通過此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與te0或tm0光場(chǎng)的匹配，經(jīng)過三個(gè)輸出端口，實(shí)現(xiàn)較低的損耗和串?dāng)_；耦合區(qū)域采用薄膜鈮酸鋰材料，使得該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有高帶寬、低插損、低功耗、易于集成的優(yōu)勢(shì)。

32、本發(fā)明基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，第一次將直接二進(jìn)制搜索算法引入交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，通過直接二進(jìn)制搜索算法對(duì)交叉波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化，不僅提高了交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成度和輸出波導(dǎo)的透射率，也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)輸入不同模式時(shí)，具的較低的傳輸損耗和串?dāng)_。

技術(shù)特征：

1.基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括整體下包層(1)和交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)，所述交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)設(shè)置于整體下包層(1)上方；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述整體下包層(1)厚度為3μm～7μm；耦合區(qū)域(2)的初始長(zhǎng)度為1μm～3μm，初始寬度為1μm～3μm，厚度為0.20μm～0.24μm；輸入波導(dǎo)(3)寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.20μm～0.24μm；輸出波導(dǎo)(4)的寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.20μm～0.24μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述整體下包層上(1)采用二氧化硅材料，整體下包層(1)的尺寸不小于交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)的尺寸，所述耦合區(qū)域(2)采用薄膜鈮酸鋰材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過所述輸入波導(dǎo)(3)的輸入模式為te0或tm0光源。

5.基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，具體步驟如下：

6.根據(jù)步驟5所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟1中所述的初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如下：包括整體下包層(1)和交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)，所述交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)設(shè)置于整體下包層(1)上方，交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)(6)包括耦合區(qū)域(2)，圍繞所述耦合區(qū)域(2)一周分布有一路輸入波導(dǎo)(3)和三路輸出波導(dǎo)(4)，所述輸入波導(dǎo)(3)和三路所述輸出波導(dǎo)(4)均垂直于耦合區(qū)域(2)端面設(shè)置且均與耦合區(qū)域(2)中心位置相連接。

7.根據(jù)步驟6所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟1中所述的整體下包層(1)厚度為3μm～7μm；耦合區(qū)域(2)的初始長(zhǎng)度為1μm～3μm，初始寬度為1μm～3μm，厚度為0.25μm～0.35μm；輸入波導(dǎo)(3)寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm；輸出波導(dǎo)(4)的寬度為0.3μm～0.7μm、長(zhǎng)度為1.3μm～1.7μm、厚度為0.25μm～0.35μm；

8.根據(jù)步驟6所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子fom的計(jì)算過程如下：

9.根據(jù)步驟6所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述初始交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化步驟如下：

10.根據(jù)步驟9所述的基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟3.1中所述的耦合區(qū)域(2)中像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為400個(gè)，單個(gè)像素點(diǎn)的長(zhǎng)度和寬度均為0.1μm、高度為0.22μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于逆向設(shè)計(jì)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括整體下包層和交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)，交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置于整體下包層上方；交叉波導(dǎo)主體結(jié)構(gòu)包括耦合區(qū)域，圍繞耦合區(qū)域一周分布有一路輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)和三路輸出波導(dǎo)均垂直于耦合區(qū)域端面設(shè)置且均與耦合區(qū)域中心位置相連接，該交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成度高、透射率高、傳輸損耗和串?dāng)_低。本發(fā)明還公開了上述交叉波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，該方法采用直接二進(jìn)制搜索算法對(duì)交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)方法不僅提高了交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成度和輸出波導(dǎo)的透射率，也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)輸入不同模式時(shí)，具的較低的傳輸損耗和串?dāng)_。

技術(shù)研發(fā)人員：譚振坤,侯朋飛,胡鍇,趙鵬程,韓軍,蔚娟,雷思琛,王姣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10