一种低损耗波分复用器耦合优化方法

1.一种低损耗波分复用器耦合优化方法，其特征在于，包括：设置双级锥度耦合器的结构：该双级锥度耦合器包括级联的肋锥形波导、倒锥形波导和输出波导；其中，肋锥形波导为两个子肋锥形波导构成的堆叠结构，两个子肋锥形波导的长度、肋腔高度和底边长度均相同，两个子肋锥形波导的底端面构成双级锥度耦合器的矩形输入面，并且两个子肋锥形波导的肋锥尖端的端面为矩形，两个子肋锥形波导的肋锥尖端的端面长度相同，端面宽度不同，位于上方的子肋锥形波导的肋锥尖端的端面宽度更小；倒锥形波导为多级锥形波导串联形成的串联结构，肋锥形波导的下方子肋锥形波导的肋锥尖端与倒锥形波导的尖端波导相连，从双级锥度耦合器的矩形输入面进入的光经肋锥形波导进入倒锥形波导的尖端波导，再逐级前进至倒锥形波导的最后一级，最终到达末端的输出波导；通过下列优化步骤对双级锥度耦合器的结构参数进行优化：步骤1，设计边缘耦合器的基础结构，通过模态重叠分析对边缘耦合器的输入面尺寸H×W以及光纤位置进行有限差分本征模FDE优化；计算不同输入面尺寸H×W所对应的模态重叠率overlap，基于最高overlap所对应的输入面尺寸H×W得到输入面尺寸的优化结果；再将该优化结果所对应的输入面尺寸H×W作为双级锥度耦合器的矩形输入面尺寸，其中，H为双级锥度耦合器的肋锥形波导的子肋锥形波导的肋腔高度h′的两倍，W为子肋锥形波导的底边长度；步骤2，在边缘耦合器的中间波导引入肋锥形结构并优化，获取双级锥度耦合器的肋锥形波导；步骤201，基于最小制造宽度确定肋锥形波导的上方的子肋锥形波导的最窄肋锥尖端宽度W rib ，其中，肋锥形波导的下方的子肋锥形波导的肋锥尖端宽度比W rib 大；步骤202，设置双级锥度耦合器肋锥形波导的肋锥长度length r 和倒锥形波导的倒锥长度length t 的值域，在子肋锥形波导的肋腔高度h′和倒锥形波导的倒锥高度相同的前提下，在仿真平台上搭建双级锥度耦合器结构，在满足指定的光传播的转换效率阈值的肋锥长度length r 和倒锥长度length t 的仿真取值中，基于最高转换效率筛选肋锥长度length r 和倒锥长度length t 的最优取值，得到初始的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t ；步骤203，基于期望的倒锥高度和肋锥高度的最优比例 和确定的双级锥度耦合器的矩形输入面的高度H，得到倒锥高度h的初始优选值；以倒锥高度h的初始优选值为基准值，调整倒锥高度h的取值，并就每一个取值在仿真平台上搭建双级锥度耦合器结构，在满足指定转换效率阈值的肋锥长度length r 和倒锥长度length t 的仿真取值中筛选出最高转换效率所对应的肋锥长度length r 和倒锥长度length t ，得到倒锥高度h的当前取值的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t ；基于最小倒锥高度h所对应的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t 得到最终的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t ；或者在最高转换效率所对应的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t 中筛选出最小倒锥高度h所对应的值得到最终的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t ；步骤3，优化双级锥度耦合器的倒锥形波导；步骤301，基于最小制造宽度确定倒锥形波导的最小输入宽度，以步骤2所确定的最终的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t 所对应的倒锥高度h的值为基准，调整倒锥高度h的取值，仿真获取每个取值下的转换效率，基于最大转换效率所对应的取值和最小输入宽度得到倒锥形波导的最优输入尺寸；步骤302，确定倒锥形波导的倒锥形状，对每一种仿真的倒锥形波导的外形轮廓形状，固定倒锥形波导的输入宽度和输出宽度，获取其对应的转换效率与倒锥长度的关系曲线，将转换效率高且倒锥长度小的外形轮廓形状作为倒锥形状；步骤303，优化倒锥形波导的串联结构：步骤303-1，固定当前级锥形波导的输入宽度w i 和输出宽度w o ，获取不同锥形角度θ下的倒锥长度length t ，并通过仿真获得不同锥形角度θ下传播的转换效率；其中，θ与length t ，w i ，w o 之间的关系为： x表示以倒锥形波导的输入端为水平轴x的起点的横坐标；对于串联结构的第一级锥形波导，输入宽度w i 为倒锥形波导的的最小输入宽度，理论上是越细越好，但制作工艺会有限制，本发明中取0.2微米；输出宽度w o 为倒锥形波导的期望的输出宽度；从串联结构的第二级锥形波导开始，输入宽度w i 为前一级锥形波导的输出宽度，输出宽度w o 为倒锥形波导的期望的输出宽度；基于满足目标转换效率的锥形角度θ得到当前级锥形波导的可接受的最大锥形角度θ b ，并基于该最大锥形角度θ b 所对应的倒锥长度length t 得到当前级锥形波导的初始长度L b ；步骤303-2，固定当前级锥形波导的输入宽度w i 和最大锥形角度θ b ，以初始长度L b 为当前级的锥形波导的锥形长度上限，获取不同长度取值下的输出宽度w o ，并通过仿真获得不同长度取值下所对应的光传播的转换效率；基于满足目标转换效率的长度得到当前级锥形波导的最优长度L a ，并基于最大锥形角度θ b 和当前的输入宽度w i ，最优长度L a 及其对应的输出宽度w o 得到当前级锥形波导的优化结构；步骤303-3，基于步骤303-2中所获得的输入宽度w i ，最优长度L a 和输出宽度w o 根据公式 计算位于每个x取值的锥形宽度W(x)，基于锥形宽度W(x)，输入宽度w i ，最优长度L a ，输出宽度w o 和最大锥形角度θ b 得到当前级锥形波导的优化结构；步骤303-4，以当前级锥形波导的输出宽度w o 作为后一级锥形波导的初始输入宽度，重复步骤303-1至步骤303-3，直到当前所有级的锥形波导的总长度接近步骤2得到的最终的最优最优倒锥长度length t 。 2.如权利要求1所述的方法，特征在于，步骤2中，在仿真平台上搭建双级锥度耦合器结构，在满足指定的光传播的转换效率阈值的肋锥长度length r 和倒锥长度length t 的仿真取值中，基于最高转换效率筛选肋锥长度length r 和倒锥长度length t 的最优取值，得到初始的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t 具体包括：(1)将双级锥度耦合器按肋锥、倒锥、输出波导结构划分为三个细胞组，并对倒锥部分添加网格，采用双向本征模展开EME解算器模拟光传播；(2)采用控制变量法固定倒锥和输出波导组的长度不变，对肋锥组的长度进行EME扫描以第一目标转换率对EME扫描结果进行筛选，获取肋锥长度length r 与损耗的关系；(3)运用控制变量法固定肋锥和输出波导组的长度不变，对倒锥组的长度进行EME扫描以第一目标转换率对EME扫描结果进行筛选，得到倒锥长度length t 与损耗的关系；(4)设置内嵌扫描，对筛选出的肋锥长度length r 和倒锥长度length t 一一进行交错扫描，得到不同肋锥长度length r 、倒锥长度length t 与损耗的关系，以及器件总长度与损耗的关系，其中器件总长度为锥长度length r 和倒锥长度length t 之和；(5)按最高转换效率，筛选出初始的最优肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t ，即筛选出器件总长度最小且损耗最小的肋锥长度length r 和最优倒锥长度length t 。 3.如权利要求2所述的方法，特征在于，第一目标转换率为95％的转化效率阈值。 4.如权利要求2所述的方法，特征在于，步骤302中，外形轮廓形状包括线型、抛物线型和指数型。 5.如权利要求2所述的方法，特征在于，步骤303-1和303-2中，采用的目标转换效率具体为：若宽度值低于500nm，则目标转换效率选择95％的转化效率阈值；若宽度值高于或等于500nm，则目标转换效率选择97％的转化效率阈值。