[發明專利]一種小型寬帶模式轉換器件

有效

• 申請號: 202210010395.8
• 申請日: 2022-01-06
• 公開（公告）號: CN114019606B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 李爾平;林曉斌;林宏燾
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

1.一種小型寬帶模式轉換器件，其特征在于，包括：

襯底（1）；

信號輸入波導（2），布置在所述襯底（1）上；

信號輸出波導（3），布置在所述襯底（1）上；

模式轉換區域（4），所述模式轉換區域布置在所述襯底（1）上，模式轉換區域（4）被劃分單元且通過拓撲優化逆向設計，連接在所述信號輸入波導（2）和信號輸出波導（3）之間；

所述模式轉換區域（4）在立體空間中被劃分成n*n個單元長方體，每個單元立方體具有兩種可能的材料狀態，分為空氣或者硫系玻璃材料；

所述的模式轉換區域（4）通過拓撲優化逆向設計，具體是采用以下方式優化確定：

根據信號輸出波導的TE1模式的信號輸出功率和信號輸入波導的TE0模式的信號輸入功率之間的比例建立以下目標函數：

FOM=(|a_{out_te1}|²N_{out_te1})/(|a_{in_te0}|²N_{in_te0})

a_{out_te1}=0.25·((∫dS×E×H^*_{out_te1})/N_{out_te1}+(∫dS×E^*_{out_te1}×H)/N^*_{out_te1})

N_{out_te1}=0.5·∫dS×E_{out_te1}×H^*_{out_te1}

a_{in_te0}=0.25·((∫dS×E×H^*_{in_te0})/N_{in_te0}+(∫dS×E^*_{in_te0}×H)/N^*_{in_te0})

N_{in_te0}=0.5·∫dS×E_{in_te0}×H^*_{in_te0}

?×μ₀^-1?×E-ω²ε(P)E=-iωJ

c=λ·ω/(2π)

ε(P)=(ε(p₁),ε(p₂),?,ε(p_n×n))

式子中，FOM表示整體器件的目標函數，a_{out_te1}是信號輸出波導（3）中TE1模式信號的復傳輸系數；N_{out_te1}是信號輸出波導（3）中TE1模式的信號功率；a_{in_te0}是信號輸入波導（2）中TE0模式的復傳輸系數，N_{in_te0}是信號輸入波導（2）中TE0模式的信號功率；E為空間中的電場分布，H為空間中的磁場分布； E_{out_te1}為信號輸出波導（3）在TE1模式的電場分布，E_{in_te0}為信號輸入波導（2）在TE0模式的電場分布；H_{out_te1}為信號輸出波導（3）在TE1模式的磁場分布，H_{in_te0}為信號輸入波導（2）在TE0模式的磁場分布；μ₀是自由空間中的磁導率，ω為波長λ對應的角頻率，J為信號輸入波導的電流密度，i表示虛數單位，?表示梯度算子，c表示真空光速；ε(P)表示介電常數向量，ε(p₁)表示第1個單元立方體的介電常數參數；S表示波導的截面積；

按照上述目標函數建立針對整體器件的模式轉換的目標和關系，表示為滿足以下關系：

FOM→1

其中，→1表示趨近于1；

在上述目標函數的目標下進行求解，獲得各個單元立方體的介電常數的最優分布，進而按照最優分布進行模式轉換區域（4）的制作；

所述的寬帶是指工作帶寬大于等于100納米，器件的中心波長為2025nm；

每種結構排布對應一組目標函數，通過伴隨法，建立目標函數和每個單元結構的介電常數之間的關系，求解出滿足目標函數關系的每個單元結構的介電常數的變化梯度，確定每個單元結構的介電常數，最終確定模式轉換區域的結構；

目標函數FOM和模式轉換區域（4）中各個單元立方體的介電常數關系滿足以下公式：

?_ε(P)FOM=(dFOM/dε(p₁), ?, dFOM/dε(p₆₂₅₀₀))

其中，?_ε(P) 表示目標函數關于模式轉換區域（4）中每個單元格介電常數的變化梯度，ε(p_i)表示單元立方體的介電常數，i表示單元立方體的序號；

所述的小型是指尺寸小于10*10微米。