[發(fā)明專利]基于直接二元搜索算法設計的超小尺寸大帶寬模式濾波器

有效

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• 申請日: 2019-03-20
• 公開（公告）號: CN110320663B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設計）人: 尤國慶;郜定山
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B6/12
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 劉杰

本發(fā)明公開了一種基于直接二元搜索算法設計的超小尺寸大帶寬模式濾波器，包括輸入波導、輸入錐形結構、優(yōu)化波導區(qū)域、輸出錐形結構和輸出波導。所述優(yōu)化波導區(qū)域被劃分成若干個正方形單元格，每一個單元格有兩種狀態(tài)：不打孔和正中心圓孔。根據(jù)直接二元搜索算法以及目標函數(shù)，計算每一個單元格的狀態(tài)，最后使優(yōu)化波導區(qū)域內分布若干個圓孔，以使目標函數(shù)達到最大值。該器件用于實現(xiàn)模式濾波的功能，使輸入波導入射的TE1模式保持很高的透過率被輸出波導接收；輸入波導入射的TE0模式的能量從波導側面發(fā)散出去，無法被輸出波導接收。本發(fā)明損耗低，帶寬大，器件尺寸小，制作簡單，易于實現(xiàn)。

技術領域

本發(fā)明屬于平面光波導集成器件，具體涉及一種基于直接二元搜索算法(簡稱DBS算法)設計的模式濾波器。

背景技術

21世紀處于信息爆炸的時期，人們對于信息的需求量高速增長，對通信網絡的帶寬和容量也提出了更高的要求。為增大光通信系統(tǒng)的通信容量，多種復用技術應運而生。光纖中的空分復用(SDM)技術一直在迅速發(fā)展，以支持光傳輸容量的指數(shù)增長。作為該技術的片上集成，硅基集成的模分復用系統(tǒng)(MDM)由于其小尺寸、與CMOS制造工藝兼容、以及與目前已成熟的波分復用系統(tǒng)(WDM)的擴展性而引起了廣泛關注。

模分復用系統(tǒng)中，模式濾波器是一個必不可少的器件，用于濾除不需要的模式，只允許設計所需求的模式通過，類似波分復用系統(tǒng)中的波長濾波器的功能。在多模波導中，由于其對高階模限制較弱，因此濾除其中的高階模而只保留低階模有很多簡單的解決方案，例如，將波導逐漸變細到高階模式的截止寬度，或者在適當設計的波導彎曲中濾除高階模式。然而，在多模波導中只濾除低階模式而讓高階模式通過的濾波器是比較難以實現(xiàn)的。

目前針對高階模式濾波器，已有多種方案被提出。2015年，XIAOWEI GUAN等人利用一維光子晶體實現(xiàn)了高階模濾波器；2016年，Y.TANG等人利用雙曲線超材料作為波導包層，使波導只支持高階TM模式；2017年，ZESHAN CHANG等人在波導中埋入單層石墨烯，使高階模傳輸時損耗較低，而低階模傳輸有很大的損耗；2017年，KAZI TANVIR AHMMED等人利用MZI實現(xiàn)模式轉換，先將TE0和TE1相互轉換，濾波之后，再將模式轉換成初始狀態(tài)，2018年，CHUNLEI SUN等人在此基礎上給MZI臂上加上熱電極，實現(xiàn)可調控的模式濾波功能。此外，模式解復用器也可以被看成是模式濾波器，但是它們一般都存在尺寸過大的弊端。

因此，目前的模式濾波器都有著工藝復雜、尺寸較大、工作帶寬窄等缺點。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有模式濾波器工藝復雜、器件尺寸大、帶寬窄等技術不足，提供一種新的基于DBS算法設計的模式濾波器。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于DBS算法設計的模式濾波器，包括輸入波導(1)、輸入錐形結構(2)、優(yōu)化波導區(qū)域(3)、輸出錐形結構(4)、輸出波導(5)；

優(yōu)化波導區(qū)域被劃分成若干個正方形單元格，每一個單元格的狀態(tài)為不打孔或正中心圓孔；每一個單元格的狀態(tài)的確定方式是：根據(jù)DBS算法和設置的目標函數(shù)，計算每一個單元格的狀態(tài)，以使目標函數(shù)達到最大值。

所述優(yōu)化波導區(qū)域的尺寸為所劃分正方形單元格邊長的整數(shù)倍。

優(yōu)選的，所劃分的正方形單元格邊長a滿足

式中，λ為優(yōu)化中心波長，n_eff為波導有效折射率；

正中心圓孔的直徑d滿足80nm≤d≤(a-30nm)。

進一步的，所述輸入錐形結構的寬度大的一端與優(yōu)化波導區(qū)域相連，寬度小的一端與輸入波導相連；所述輸出錐形結構波導寬度大的一端與優(yōu)化波導區(qū)域相連，寬度小的一端與輸出波導相連。該錐形結構可以增加器件制作的工藝容差性，并濾除可能產生的高階模式。