本公开涉及通信与集成光学的，尤其涉及一种马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法。
背景技术：
1、光功率耦合器是片上集成光学中对光进行能量分束和合束的重要器件。定向耦合器的结构简单，并且易于在soi平台上制造，已经被广泛用作光功率耦合器。然而，传统的定向耦合器对工作波长高度敏感，其工作带宽较小，无法应用于宽工作波长的器件中。因此，人们非常需要一种与波长无关的宽带耦合器，特别是在光通信应用中，例如波分复用系统等。
技术实现思路
1、本公开提供了一种马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，以改善当前定向耦合器对工作波长高度敏感，工作带宽较小的问题。
2、本公开的一个方面提供了一种马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，马赫曾德尔型定向耦合器包括：第一定向耦合器，包括两根单模波导；相位控制波导；其中，两个第一定向耦合器和一个相位控制波导经连接波导连接后构成一级马赫曾德尔型定向耦合器；
3、根据本公开的实施例，方法包括：获取单模波导在工作波段内各波长处的第一有效折射率；分别根据各波长处的第一有效折射率，计算与各波长处相位控制波导对应的第一传输矩阵；获取第一定向耦合器在工作波段内各波长处的偶对称超模的第二有效折射率和奇对称超模的第三有效折射率；分别根据各波长处的第二有效折射率和第三有效折射率，计算与各波长处第一定向耦合器对应的第二传输矩阵；根据第一传输矩阵和第二传输矩阵，计算各波长处马赫曾德尔型定向耦合器的当前分光比；以各波长处马赫曾德尔型定向耦合器的当前分光比与目标分光比的偏离度作为适应值，根据适应值优化第一定向耦合器的长度和相位控制波导的长度；其中，目标分光比为实现宽带耦合的分光比。
4、根据本公开的实施例，根据第一传输矩阵和第二传输矩阵，计算各波长处马赫曾德尔型定向耦合器的当前分光比包括：采用矩阵传输法进行计算，矩阵传输法的公式包括：
5、e＝cn·dn…c1·d1·c0·i
6、
7、其中，e为输出端口的输出矩阵，e1和e2分别为两根单模波导的两个输出端口的输出矩阵，dn…d1为第一传输矩阵，cn…c0为第二传输矩阵，i为输入光的传输矩阵；τn为n级第一定向耦合器的反射率，κn为n级第一定向耦合器的中间参数，δφn为相位差，i为虚数，e为指数。
8、根据本公开的实施例，τn、κn、δφn的计算公式为：
9、
10、
11、
12、其中，neff为单模波导在工作波段内各波长处的有效折射率，ne和no分别为第一定向耦合器在工作波段内各波长处的偶对称超模的有效折射率和奇对称超模的有效折射率，为n级第一定向耦合器的相位；ln为n级第一定向耦合器的长度，δln为n级相位控制波导的长度，λ为输入光的波长。
13、根据本公开的实施例，当前分光比的计算公式为：
14、
15、其中，e1和e2分别为两根单模波导的两个输出端口的输出矩阵。
16、根据本公开的实施例，根据适应值优化第一定向耦合器的长度和相位控制波导的长度包括：采用粒子群算法对适应值进行优化，通过设置最大迭代次数、惯性权重以及学习因子，初始化粒子群，其中包括粒子的随机位置和速度；在第i次迭代时，粒子群里会存在以下d维向量：当前位置：xi＝(xi1，xi2，…xid)；当前速度：vi＝(vi1，vi2，…vid)；个体历史最优位置：pi＝(pi1，pi2，…pid)；种群历史最优位置：gi＝(gi1，gi2，…gid)；计算每个粒子当前位置对应的适应值；将每个粒子当前位置对应的适应值与粒子个体历史最优位置进行对比，若粒子当前位置对应的适应值更优，则进行替换，否则不变；将每个粒子当前位置对应的适应值与种群历史最好位置进行对比，若所述粒子当前位置对应的适应值更优，则进行替换，否则不变；更新每个粒子的位置和速度，重新计算每个粒子当前位置对应的适应值；若未满足预设的结束条件，则继续迭代；若满足预设的结束条件，则结束。
17、根据本公开的实施例，适应值的计算公式为：
18、
19、其中，k为马赫曾德尔型定向耦合器中工作波段范围内的波长个数，ηk为k个波长处对应的当前分光比，ηtarget为目标分光比。
20、根据本公开的实施例，更新每个粒子的位置和速度包括：
21、其中，第d维(1≤d≤d)粒子的速度和位置的变化公式如下：
22、vid＝w·vid+c1·r1·(pid-xid)+c2·r2·(gid-xid)
23、xid＝xid+vid
24、其中，w为惯性权重w＝1，c1＝c2＝2；r1和r2为0～1间的随机数。
25、根据本公开的实施例，马赫曾德尔型定向耦合器所处的工作波段为c波段和o波段两个通信波段。
26、根据本公开的实施例，单模波导的波导尺寸根据单模波导所处的工作波段以及单模波导的材料确定，其中，若单模波导采用硅材料，则单模波导的厚度为220nm，单模波导的宽度为350nm～500nm；若单模波导采用氮化硅材料，则单模波导的厚度为400nm，单模波导的宽度为400nm～1100nm。
27、根据本公开的实施例，第一定向耦合器的波导间距为150nm～400nm；连接波导的弯曲半径为5μm～20μm。
28、在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：本公开提供的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，可以快速完成期间结构参数的确定，适用于任意分光比的耦合器的制备，采用本公开的制备方法制备而成的马赫曾德尔型定向耦合器，实现宽带耦合的同时有着较低的插入损耗。
1.一种马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，所述马赫曾德尔型定向耦合器包括：第一定向耦合器(301)，包括两根单模波导；相位控制波导(302)；其中，两个所述第一定向耦合器(301)和一个所述相位控制波导(302)经连接波导连接后构成一级马赫曾德尔型定向耦合器(102)；
2.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述根据所述第一传输矩阵和所述第二传输矩阵，计算各波长处马赫曾德尔型定向耦合器的当前分光比包括：
3.根据权利要求2所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，τn、κn、δφn的计算公式为：
4.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述当前分光比的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，根据所述适应值优化所述第一定向耦合器(301)的长度和所述相位控制波导(302)的长度包括：
6.根据权利要求5所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述适应值的计算公式为：
7.根据权利要求5所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述更新每个粒子的位置和速度包括：
8.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述马赫曾德尔型定向耦合器所处的工作波段为c波段和o波段两个通信波段。
9.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述单模波导的波导尺寸根据所述单模波导所处的工作波段以及所述单模波导的材料确定，其中，若所述单模波导采用硅材料，则所述单模波导的厚度为220nm，所述单模波导的宽度为350nm～500nm；若所述单模波导采用氮化硅材料，则所述单模波导的厚度为400nm，所述单模波导的宽度为400nm～1100nm。
10.根据权利要求1所述的马赫曾德尔型定向耦合器的制备方法，其特征在于，所述第一定向耦合器(301)的波导间距为150nm～400nm；所述连接波导的弯曲半径为5μm～20μm。
