基于边界逆向优化算法的任意分光比耦合器设计

作     者：廖俊鹏 田野 杨子荣 康哲 郑紫薇 金庆辉 张晓伟 Liao Junpeng;Tian Ye;Yang Zirong;Kang Zhe;Zheng Ziwei;Jin Qinghui;Zhang Xiaowei

作者机构：宁波大学信息科学与工程学院浙江宁波315211 浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州310058 浙江万里学院数字产业研究院浙江宁波315100 

出 版 物：《光学学报》 (Acta Optica Sinica)

年 卷 期：2023年第43卷第1期

页      面：140-149页

核心收录：

学科分类：0808[工学-电气工程] 070207[理学-光学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(62105167,62075188,61974078) 浙江省自然科学基金(LQ22F050008,LY21F050007,LY21F040002) 江苏省重点研发计划(BE2021082) 宁波市自然科学基金(2021J074,2021J059) 

主　　题：集成光学 全光器件 耦合器 逆向设计 

摘      要：光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计,从而可有效降低设计复杂度,提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计,通过优化器件的边界形状,实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能,其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8(3 dB、6 dB和9 dB)。器件的设计尺寸仅为4μm×2μm,且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处,所设计的耦合器均可达到设计目标,且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500~1600 nm波长范围内,三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内,并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题,对器件的制作容差进行了分析。结果表明,当耦合器的整体宽度变化±20 nm时,三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外,制造了分光比为1∶2的耦合器,且实验结果符合设计目标。