一种功率分束器的设计方法及功率分束器

1.本发明涉及集成光子器件技术领域，尤其涉及一种功率分束器的设计方法及功率分束器。


背景技术：

2.近些年，光子集成电路(pics)已被认为是在光通信、光谱学、计量学、量子通信和计算领域最有前途的平台之一，这要归功于其低损耗、高集成密度且可以与互补金属氧化物半导体(cmos)平台实现兼容的优点。由于硅和包层材料的高折射率差别，基于绝缘体上硅(soi)平台的光子器件的设备大小已大大降低，soi平台相较于其他集成平台比如linbo3可以提供更有效和紧凑的光子器件。然而，典型的基于soi的波导器件往往是宽度大于高度，从而可以区分不同偏振的模式分布。在soi波导结构中传输的te和tm模式在有效折射率、模场分布、损耗等传输特性上存在较大差异，这会导致强烈的偏振依赖性，严重限制包括光互连在内的许多应用。
3.功率分束器(pss)作为高密度pics最基础的组件之一，常常被用于控制光流，以实现pics中的许多基础操作，比如传输、分离和合并光信号。实际上，功率分束器是构建许多复杂器件的必备器件，比如光逻辑门、调制器、光开关等。最近几年，关于功率分束器的大量研究工作已经被报道，其中主要包括基于定向耦合器(dcs)、基于y分支和基于多模干涉耦合器(mmi)的功率分束器。目前所提出许多功率分束器很多是基于单一偏振情况下工作的，很少有偏振管理功能。而许多使用马赫曾德尔干涉仪的硅光调制器中，偏振器和功率分束器都是必要的，因为调制器只能工作在一种偏振条件下，缺乏偏振控制会损害器件的性能。因此，在pics中实现偏振管理十分重要，但目前的功率分束器往往是工作在特定偏振下的，这就需要在ps添加偏振分束器等器件，这会阻碍高密度的大规模pics实现。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种功率分束器的设计方法及功率分束器，该设计方法设计一种具有偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，该功率分束器可以将对输入光实现偏振旋转，将输入te模式在输出端口旋转为tm模式，并且同时实现功率的分割。
5.根据本发明的一方面，提供了一种功率分束器的设计方法，所述功率分束器包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态；所述设计方法包括：
6.将所述平板波导划分为第一区域和第二区域；
7.利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te
00
模式经过所述第一区域传输后转换为te
10
模式；
8.利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导；
9.其中，所述第一区域沿所述输入波导指向所述输出波导的方向排列，所述第一区域位于所述第二区域靠近所述输入波导的一侧。
10.可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导之后，还包括：
11.利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由所述输入波导输入，经过所述平板波导传输后由两个所述输出波导输出tm
00
模式的光波的过程；
12.比较两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值是否小于预设范围；
13.若否，重复执行所述第一仿真优化算法和所述第二仿真优化算法，直至两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值小于所述预设范围。
14.可选的，利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te
00
模式经过所述第一区域传输后转换为te
10
模式，包括：
15.设置所述第一区域内各所述像素块的初始状态分布；
16.利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由所述输入波导输入，在所述第一区域传输的过程，得到表示所述第一区域的输出端te
10
模式的光功率，表示te
00
模式的输入光功率；
17.改变所述第一区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
00
模式的光波在所述第一区域传输的过程，得到更新后的fom1；
18.判断更新后的fom1是否变大；
19.若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；
20.若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；
21.遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom1大于第一预设值。
22.可选的，所述第一预设值大于或等于0.95，小于或等于1。
23.可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：
24.设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；
25.利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm
00
模式的光功率；
26.改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2；
27.判断更新后的fom2是否变小；
28.若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
29.若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
30.遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。
31.可选的，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：
32.设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；
33.利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm
00
模式的光功率，x和y分别表示两个所述输出波导输出功率占总输出功率的比例，x+y＝1且x、y均为正数；
34.改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2；
35.判断更新后的fom2是否变小；
36.若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
37.若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
38.遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。
39.可选的，所述第二预设值大于或等于0，小于或等于0.07。
40.可选的，所述第一区域的面积小于所述第二区域的面积。
41.根据本发明的另一方面，提供了一种功率分束器，包括绝缘体上硅基片，所述绝缘体上硅基片包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态，所述像素块的状态由上述任一所述的设计方法确定；
42.从所述输入波导输入的te
00
模式的光束，经过所述平板波导传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导输出。
43.可选的，所述绝缘体上硅基片包括：
44.硅衬底；
45.在所述硅衬底一侧依次层叠的二氧化硅层和硅波导层；
46.所述第一状态为非刻蚀状态，所述第二状态为刻蚀状态，所述第二状态的所述像素块内设置有预设深度的凹槽。
47.本发明实施例提供的功率分束器的设计方法，功率分束器包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于输入波导和输出波导之间的平板波导，平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，像素块包括第一状态或第二状态；设计方法包括：先将平板波导划分为第一区域和第二区域；然后利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的te
00
模式经过第一区域传输后转换为te
10
模式；再利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导；其中，第一区域沿输入波导指向输出波导的方向排列，第一区域位于第二区域靠近输入波导的一侧。本发明实施例的技术方案，设计一种具有偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，该功率分束器可以将对输入光实现偏振旋转，将输入te模式在输出端口旋转为tm模式，并且同时实现功率的分割，且功率分束器具有制备工艺简单、成本低、体积小的优势。
48.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1为本发明实施例提供的一种功率分束器的设计方法的流程示意图；
51.图2为本发明实施例提供的一种功率分束器的结构示意图；
52.图3为沿图2中剖线aa
′
的一种剖面结构示意图；
53.图4为本发明实施例提供的一种s120的具体流程示意图
54.图5为本发明实施例提供的对第一区域进行仿真优化的结构示意图；
55.图6为本发明实施例提供的一种s130对应的具体流程示意图，
56.图7为本发明实施例提供的对第二区域进行仿真优化的结构示意图；
57.图8为本发明实施例提供的另一种s130对应的具体流程示意图；
58.图9为本发明实施例提供的另一种功率分束器的设计方法的流程示意图。
具体实施方式
59.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
60.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
61.图1为本发明实施例提供的一种功率分束器的设计方法的流程示意图，该设计方法用于设计一种具有偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，可以将te模式的光旋转为tm模式并实现分束。图2为本发明实施例提供的一种功率分束器的结构示意图，参考图2，该功率分束器包括一个输入波导10、两个输出波导20(第一输出波导21和第二输出波导22)以及设置于输入波导10和输出波导20之间的平板波导30，平板波导30包括多个阵列排布且同等大小的像素块301，像素块301包括第一状态或第二状态。
62.其中，本发明实施例提供的功率分束器可以为基于绝缘体上硅(soi)技术的器件，其中平板波导30为基于多模干涉耦合器(mmi)的波导结构。图3为沿图2中剖线aa
′
的一种剖面结构示意图，参考图3，可选的，该功率分束器包括硅衬底100，在硅衬底100一侧依次层叠的二氧化硅层200和硅波导层300；其中第一状态为非刻蚀状态，即第一状态的像素块301a对应的硅波导层300未被刻蚀，第二状态为刻蚀状态，第二状态的像素块301b内设置有预设深度的凹槽310。具体实施时，凹槽310的形状和深度可以根据实际情况设计，例如凹槽310在硅衬底100的投影形状为圆形，深度小于硅波导层300的厚度。需要说明的是，平板波导30中多个阵列排布且同等大小的像素块301仅是在设计功率分束器时对平板波导进行的区域划分，并不是实际分割为多个区块。例如在某一实施例中，平板波导30包括16
×
35个像素块301。
63.参考图1，本实施例提供的设计方法包括：
64.s110、将平板波导划分为第一区域和第二区域。
65.继续参考图2，将平板波导30划分为第一区域31和第二区域32，其中，第一区域31沿输入波导10指向输出波导20的方向a排列，第一区域31位于第二区域32靠近输入波导10的一侧。由于本实施例中平板波导30的作用是将te模式的光波转换为tm模式，由于直接实现te模式到tm模式的转变较困难，本实施例中利用第一区域31实现输入模式从te
00
转变为te
10
，第二区域实现te
10
转变为tm
00
并分束。
66.本实施例中，由于第一区域31仅实现转换功能，第二区域32实现转换和分束两种功能，因此在本实施例中，可选的，第一区域31的面积小于第二区域32的面积，从而有利于预设功能的实现。例如本实施例中，第一区域31包括16
×
15个像素块301，第二区域32包括16
×
20个像素块。
67.s120、利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的te
00
模式经过第一区域传输后转换为te
10
模式。
68.其中，第一仿真优化算法可以为直接二值搜索算法(direct-binary-search，dbs)，利用dbs结合时域有限差分仿真fdtd实现器件优化。
69.图4为本发明实施例提供的一种s120的具体流程示意图，参考图4，可选的，利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的te
00
模式经过第一区域传输后转换为te
10
模式，包括：
70.s121、设置第一区域内各像素块的初始状态分布。
71.图5为本发明实施例提供的对第一区域进行仿真优化的结构示意图，参考图5，第
一区域31内包括16
×
15个像素块301，其中0表示刻蚀(第二状态)，1表示非刻蚀(第一状态)，则初始状态分布即为16
×
15的由0，1构成的矩阵。具体实施时，初始状态分布的矩阵可以全为0或全为1，或者为随机分布的矩阵，本发明实施例对此不作限定。
72.s122、利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由输入波导输入，在第一区域传输的过程，得到表示第一区域的输出端te
10
模式的光功率，表示te
00
模式的输入光功率。
73.确定初始状态分布后，利用lumerical商业仿真软件的时域有限差分仿真模块对第一区域进行仿真，得到第一区域和第二区域交界面处的模场分布。具体的，设置优点值表示第一区域的输出端te
10
模式的光功率，表示te
00
模式的输入光功率，即希望第一区域和第二区域交界面的光场模式已经由te
00
转变为te
10
。优化的结果是希望fom1值尽可能大，接近于1。
74.s123、改变第一区域内第一个像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
00
模式的光波在第一区域传输的过程，得到更新后的fom1。
75.其中第一个像素块可以为左下角第一个像素点，改变像素块的状态即设置状态反转，若原来为0则反转为1，若原来为1则反转为0，然后再利用时域有限差分fdtd方法进行仿真，得到更新后的fom1的值。
76.s124、判断更新后的fom1是否变大。
77.s125、若是，则保持第一个像素块的当前状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作。
78.s126、若否，则将第一个像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作。
79.若更新后的fom1变大，则保持其反转，对下一个像素块进行相同的操作，否则退回上一个状态，移动至下一个像素块再进行操作。
80.s127、遍历所有像素块，并执行多次迭代直至fom1大于第一预设值。
81.本实施例中，第一区域包括16
×
15个像素块，则进行迭代一次足以遍历16
×
15个像素块，通过执行多次迭代直到fom1值达到要求为止，例如在具体实施时，可选的，第一预设值大于或等于0.95，小于或等于1。
82.s130、利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导。
83.其中，第二仿真优化算法也可以利用dbs结合fdtd实现器件优化。其中两个输出波导输出的光功率均可以占总功率的50％，即功率分束器可以为功率等分的3db分束器。
84.图6为本发明实施例提供的一种s130对应的具体流程示意图，参考图6，可选的，利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导，包括：
85.s1301、设置第二区域内各像素块的初始状态分布。
86.图7为本发明实施例提供的对第二区域进行仿真优化的结构示意图，参考图7，第二区域32内包括16
×
20个像素块301，其中初始状态分别的设置方式可以与第一区域的初始状态分布类似。
87.s1302、利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由第一区域和第二区域交界面输入，在第二区域传输的过程，得到表示第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个输出波导输出的tm
00
模式的光功率。
88.确定初始状态分布后，利用lumerical商业仿真软件的时域有限差分仿真模块对第二区域进行仿真，在第一区域和第二区域交界面处给定一个模式为te
10
的输入光功率，第二区域实现的功能是将光场模式由te
10
转变为tm
00
，并实现功率分割。具体的，设定表示第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个输出波导输出的tm
00
模式的光功率，利用dbs算法优化第二区域，以期望fom2值尽可能小，当fom2值趋近于0时，可知和都趋近于0.5，证明第二区域实现了将光场模式由te
10
转变为tm
00
，并且将功率均分至两个输出波导。第二区域的优化过程与第一区域的优化过程类似，此处不再详述。
89.s1303、改变第二区域内第一个像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2。
90.s1304、判断更新后的fom2是否变小。
91.s1305、若是，则保持第一个像素块的当前状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作。
92.s1306、若否，则将第一个像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作。
93.s1307、遍历所有像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。
94.由于在实际应用过程中，功率分束器的分光比例不限于等分，还可以有其他分光比例，例如9：1、8：2、7：3、6：4等，本实施例提供的设计方法还可以设置其他分光比例。在另一实施例中，图8为本发明实施例提供的另一种s130对应的具体流程示意图，参考图8，可选的，利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导，包括：
95.s1311、设置第二区域内各像素块的初始状态分布；
96.s1312、利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由第一区域和第二区域交界
面输入，在第二区域传输的过程，得到表示第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个输出波导输出的tm
00
模式的光功率，x和y分别表示两个输出波导输出功率占总输出功率的比例，x+y＝1且x、y均为正数；
97.s1313、改变第二区域内第一个像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2；
98.s1314、判断更新后的fom2是否变小；
99.s1315、若是，则保持第一个像素块的当前状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
100.s1316、若否，则将第一个像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；
101.s1317、遍历所有像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。
102.其具体仿真优化过程与上述实施例类似，此处不再详述，具体实施时第二预设值的大小不作限定，其数值越接近0，功率分束器的分光比与预设比例越接近，可选的，第二预设值大于或等于0，小于或等于0.07。
103.本发明实施例的技术方案，先将平板波导划分为第一区域和第二区域；然后利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的te
00
模式经过第一区域传输后转换为te
10
模式；再利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导，从而设计一种具偏振旋转和功率分割功能的功率分束器，该功率分束器可以将对输入光实现偏振旋转，将输入te模式在输出端口旋转为tm模式，并且同时实现功率的分割，且功率分束器具有制备工艺简单、成本低、体积小的优势。
104.图9为本发明实施例提供的另一种功率分束器的设计方法的流程示意图，参考图9，该设计方法包括：
105.s210、将平板波导划分为第一区域和第二区域。
106.s220、利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使输入波导输入的te
00
模式经过第一区域传输后转换为te
10
模式。
107.s230、利用第二仿真优化算法，确定第二区域内每一像素块所处的状态，以使第一区域和第二区域交界面输入的te
10
模式经过第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导。
108.s240、利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由输入波导输入，经过平板波导传输后由两个输出波导输出tm
00
模式的光波的过程。
109.s250、比较两个输出波导输出功率的比例与预设比例的差值是否小于预设范围。
110.s260、若否，重复执行第一仿真优化算法和第二仿真优化算法，直至两个输出波导输出功率的比例与预设比例的差值小于预设范围。
111.本实施例中，在分步优化第一区域和第二区域后，将优化后的第一区域和第二区
域串联起来，在输入波导给定模式为te
00
的光功率输入，在输出端口分别检测模式为tm
00
的光功率，确定整个器件其中p
up
，p
down
分别指的是输出波导上臂和下臂对应的模式为tm
00
的光功率，而p
in
指的是输入波导模式为te
00
的光功率。分区域优化是为了节省优化时间，将优化后的区域串联起来后进行fdtd仿真得到整个器件fom值，若未达到理想要求，可以再对整个器件执行dbs优化，从而获得既能实现偏振旋转又能实现3db功率分割的器件。需要说明的是，若要实现其他分光比，只需将整个器件的fom公式改为其中x和y分别对应输出波导上臂和下臂对应的输出比例，x+y＝1，且x、y均为正数。
112.由上述实施例提供的设计方法，可以设计出超紧凑的兼具偏振旋转功能的功率分束器。为了方便表示，上述设计方法是在1550nm波长情况下执行的，为了扩展器件的带宽，可以在后续设计过程中更改fom值，比如将fom1改成(即为多个对应波段的平均值，相应的fom2和整个器件fom也会改动)，其中n是仿真时使用的波长个数。若用超过110nm范围内的多个波长进行上述仿真，并最后都能得到良好结果，那最终设计的器件将会是一个超紧凑、宽带宽的兼具偏振旋转的功率分束器。
113.本发明实施例还提供了一种功率分束器，继续参考图2，功率分束器包括绝缘体上硅基片，绝缘体上硅基片包括一个输入波导10、两个输出波导20(第一输出波导21和第二输出波导22)以及设置于输入波导10和输出波导20之间的平板波导30，平板波导30包括多个阵列排布且同等大小的像素块301，像素块301包括第一状态或第二状态，像素块301的状态由上述实施例提供的任意一种设计方法确定；从输入波导10输入的te
00
模式的光束，经过平板波导30传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个输出波导20输出。
114.参考图3，可选的，绝缘体上硅基片包括：硅衬底100；在硅衬底100一侧依次层叠的二氧化硅层200和硅波导层300；第一状态为非刻蚀状态，第二状态为刻蚀状态，第二状态的像素块内设置有预设深度的凹槽310。
115.在本发明的一个具体实施例中，功率分束器为一个兼具偏振旋转的3db功率分束器，具体实现方式是，在绝缘体上硅(soi)平台上设计一个基于mmi的波导结构，整个波导结构是位于3μm厚的sio2氧化物衬底上，si波导的厚度为220nm，这是标准的soi平台。输入波导与输出波导的宽度设置为500nm，将中间的平板波导分割为16
×
35个像素块。中间平板波导的大小为1.92
×
4.2μm2，每个像素点大小为120nm
×
120nm，中间刻蚀圆孔的半径为45nm，其中，位于非刻蚀状态的像素块波导厚度为标准的220nm厚，而刻蚀状态的像素块波导刻蚀深度为180nm，刻蚀圆孔内充斥物质为空气。由于刻蚀圆孔改变了光在平板波导中的传输状态，所以可以实现偏振旋转功能。
116.本发明实施例提供的兼具偏振旋转和3db功率分束器可以实现对输入光的偏转旋转，并且同时实现功率分割。目前硅光子器件对偏振要求很高，大多数硅光器件要求工作在一种偏振状态下，因此需要在常规的功率分束器前添加偏振分束及偏振旋转器件，来实现对光的偏振控制，但添加相关偏振控制器件又会限制pics的集成密度。所以本发明实施例
提出了一种兼具偏振旋转和功率分割的多功能器件，该器件可以实现对输入波导光场模式的偏振旋转，并且同时实现均匀的功率分束。该多功能器件平板波导面积仅为1.92
×
4.2μm2，超紧凑的尺寸可以后续实现在光子集成芯片平台上与其他器件的集成复用。同时，本发明实施例设计的器件是基于soi平台，刻蚀形状为圆孔，对于每个像素块来说刻蚀面积保持一致，这可以有效避免制造过程中的滞后效应带来的器件制造误差；同时，本发明实施例设计的器件可以采用单步刻蚀工艺制造，操作简单，成本低廉。
117.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种功率分束器的设计方法，其特征在于，所述功率分束器包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态；所述设计方法包括：将所述平板波导划分为第一区域和第二区域；利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te
00
模式经过所述第一区域传输后转换为te
10
模式；利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导；其中，所述第一区域沿所述输入波导指向所述输出波导的方向排列，所述第一区域位于所述第二区域靠近所述输入波导的一侧。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导之后，还包括：利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由所述输入波导输入，经过所述平板波导传输后由两个所述输出波导输出tm
00
模式的光波的过程；比较两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值是否小于预设范围；若否，重复执行所述第一仿真优化算法和所述第二仿真优化算法，直至两个所述输出波导输出功率的比例与所述预设比例的差值小于所述预设范围。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用第一仿真优化算法，确定所述第一区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述输入波导输入的te
00
模式经过所述第一区域传输后转换为te
10
模式，包括：设置所述第一区域内各所述像素块的初始状态分布；利用时域有限差分方法，仿真te
00
模式的光波由所述输入波导输入，在所述第一区域传输的过程，得到输的过程，得到表示所述第一区域的输出端te
10
模式的光功率，表示te
00
模式的输入光功率；改变所述第一区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
00
模式的光波在所述第一区域传输的过程，得到更新后的fom1；判断更新后的fom1是否变大；若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom1的操作；遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom1大于第一预设值。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述第一预设值大于或等于0.95，小于或等于1。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm
00
模式的光功率；改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2；判断更新后的fom2是否变小；若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用第二仿真优化算法，确定所述第二区域内每一所述像素块所处的状态，以使所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式经过所述第二区域传输后转换为tm
00
模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导，包括：设置所述第二区域内各所述像素块的初始状态分布；利用时域有限差分方法，仿真te
10
模式的光波由所述第一区域和所述第二区域交界面输入，在所述第二区域传输的过程，得到输入，在所述第二区域传输的过程，得到表示所述第一区域和所述第二区域交界面输入的te
10
模式的光功率，p2和p3分别表示两个所述输出波导输出的tm
00
模式的光功率，x和y分别表示两个所述输出波导输出功率占总输出功率的比例，x+y＝1且x、y均为正数；改变所述第二区域内第一个所述像素块的状态，利用时域有限差分方法仿真te
10
模式的光波在所述第二区域传输并分束为两束tm
00
模式的过程，得到更新后的fom2；判断更新后的fom2是否变小；若是，则保持第一个所述像素块的当前状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；若否，则将第一个所述像素块的状态恢复至初始状态，并对下一个所述像素块执行与前一步骤相同的改变状态以及计算更新后的fom2的操作；遍历所有所述像素块，并执行多次迭代直至fom2小于第二预设值。7.根据权利要求5或6所述的设计方法，其特征在于，所述第二预设值大于或等于0，小
于或等于0.07。8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一区域的面积小于所述第二区域的面积。9.一种功率分束器，其特征在于，包括绝缘体上硅基片，所述绝缘体上硅基片包括一个输入波导、两个输出波导以及设置于所述输入波导和所述输出波导之间的平板波导，所述平板波导包括多个阵列排布且同等大小的像素块，所述像素块包括第一状态或第二状态，所述像素块的状态由权利要求1～8任一所述的设计方法确定；从所述输入波导输入的te
00
模式的光束，经过所述平板波导传输后转换为tm
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模式，并按预设比例分束至两个所述输出波导输出。10.根据权利要求9所述的功率分束器，其特征在于，所述绝缘体上硅基片包括：硅衬底；在所述硅衬底一侧依次层叠的二氧化硅层和硅波导层；所述第一状态为非刻蚀状态，所述第二状态为刻蚀状态，所述第二状态的所述像素块内设置有预设深度的凹槽。

技术总结
本发明实施例公开了一种功率分束器的设计方法及功率分束器。设计方法包括：将平板波导划分为第一区域和第二区域；利用第一仿真优化算法，确定第一区域内每一像素块所处的状态，以使输入波导输入的TE


技术研发人员：陈锦华 宫敏 吉晨
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/6