光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备与流程

1.本发明涉及光定向耦合器技术领域，特别是涉及一种光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备。


背景技术：

2.在超过100nm带宽上具有任意期望耦合系数的光学定向耦合器(odc)是使用晶格结构的滤波器设计中的关键器件。由于odc的工艺灵敏度，滤波器的相邻信道抑制比对工艺变化非常敏感，因此难以达到超过20db的相邻信道拒绝要求。odc的工艺灵敏度表现为窄耦合带宽和耦合比的灵敏度。对于信道间距为20nm的4信道滤波器，设计中使用的odc需要具有至少100nm的带宽，并能精确控制所需的耦合系数，而对于8信道cwdm滤波器，甚至需要160～200nm的带宽。这使得odc的设计更加困难。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备，其能够简化光定向耦合器的优化设计过程中，结构参数的计算过程，从而更加适于实用。
4.为了达到上述第一个目的，本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法的技术方案如下：
5.本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法包括以下步骤：
6.根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个2
×
2定向耦合器，其中，所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数,且具有最大平坦带宽和工艺容差；
7.根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。
8.本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法还可采用以下技术措施进一步实现。
9.为了达到上述第二个目的，本发明提供的光定向耦合器的优化设计装置的技术方案如下：
10.作为优选，根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个新的2
×
2定向耦合器的步骤过程中，所述两个光定向耦合器之间的耦合率取值范围为10％-90％。
11.作为优选，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算公式为：
12.13.其中，
[0014][0015]
式中，
[0016]
s-马赫-曾德尔干涉仪中，两个光定向耦合器之间的功率耦合比，0《s《1；
[0017]
p2-信号输出数值；
[0018]
pin-信号输入数值；
[0019]
l1、l2-两个光定向耦合器的耦合长度；
[0020]
λc-中心波长；
[0021]
lc(λc)-相对于π/2耦合长度；
[0022]
le(λc)-末端校正因子；
[0023]-两个光定向耦合器两个方向的耦合长度l1、l2相对于π/2耦合长度lc(λc)的耦合相位角；
[0024]
θ-两个光定向耦合器的波导臂相对相位延迟。
[0025]
作为优选，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算方法包括以下步骤：
[0026]
根据式(1)，令得到，
[0027][0028]
其中，
[0029][0030][0031]
于是有
[0032][0033]
带入式(1)，得到
[0034][0035]
进而得到
[0036][0037]
式中，
[0038]-任意相位角。
[0039]
作为优选，
[0040][0041]
式中，
[0042]
δ-中心波长λc周围的相对随机相位。
[0043]
作为优选，
[0044]
式(1)变化为，
[0045][0046]
令得到
[0047][0048][0049]
当δ
→
0(10)
[0050]
利用方程(5)、(6)、(10)，得到θ。
[0051]
作为优选，所述光定向耦合器的优化设计方法还包括以下步骤：
[0052]
根据所述优化后的光定向耦合器，计算耦合比随过程和频率的变化情况，得到验证结果，其中，若所述两个光定向耦合器具有最大平坦带宽，则所述两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式有效。
[0053]
本发明提供的光定向耦合器的优化设计装置包括：
[0054]
本发明提供的光定向耦合器的优化设计装置包括：
[0055]
优化单元，根据需要的耦合系数，利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪，共同组成一个2
×
2定向耦合器；所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数，且具有最大平坦带宽和工艺容差；
[0056]
运算单元，用于根据所述两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。
[0057]
为了达到上述第三个目的，本发明提供的计算机可读存储介质的技术方案如下：
[0058]
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有光定向耦合器的优化设计程序，所述光定向耦合器的优化设计程序被执行时，实现本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法的步骤。
[0059]
为了达到上述第四个目的，本发明提供的电子设备的技术方案如下：
[0060]
本发明提供的电子设备包括处理器和存储器，所述存储器上存储有光定向耦合器的优化设计程序，所述光定向耦合器的优化设计程序被所述处理器执行时，实现本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法的步骤。
[0061]
本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备，使用所需的耦合系数作为输入参数，然后使用所提出的简单设计公式计算两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟，所设计的光定向耦合器将自动保证最大平坦带宽，从而在任意所需耦合比的情况下具有工艺容限。本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备简化了设计过程，也为这种类型的耦合器的工作机制提供了进一步的见解，提供具有优化参数的设计。本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备用于设计一组耦合率为10％至90％的光定向耦合器，使用马赫-曾德尔干涉仪光定向耦合器中设计的参数进行的仿真表明，所设计的光定向耦合器在较宽的相对带宽上具有最大的平坦耦合率，从而验证了该方法的有效性。
附图说明
[0062]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0063]
附图1为本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计方法的步骤流程图；
[0064]
附图2为本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计装置中各功能模块之间的信号流向关系示意图；
[0065]
附图3为本发明实施例提供的硬件运行环境的光定向耦合器的优化设计设备结构示意图；
[0066]
图4为应用本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计方法设计所得的光定向耦合器在进行有效性验证时，的耦合比与相对带宽的关系曲线图。
具体实施方式
[0067]
有鉴于此，本发明提供了一种光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备，其能够简化光定向耦合器的优化设计过程中，结构参数的计算过程，从而更加适于实用。
[0068]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0069]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。
[0070]
光定向耦合器的优化设计方法
[0071]
参见附图1，本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计方法包括以下步骤：
[0072]
步骤s1：根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个2
×
2定向耦合器，其中，所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数,且具有最大平坦带宽和工艺容差；
[0073]
步骤s2：根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。
[0074]
本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法使用所需的耦合系数作为输入参数，然后使用所提出的简单设计公式计算两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟，所设计的光定向耦合器将自动保证最大平坦带宽，从而在任意所需耦合比的情况下具有工艺容限。本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法简化了设计过程，也为这种类型的耦合器的工作机制提供了进一步的见解，提供具有优化参数的设计。本发明提供的光定向耦合器的优化设计方法用于设计一组耦合率为10％至90％的光定向耦合器，使用马赫-曾德尔干涉仪光定向耦合器中设计的参数进行的仿真表明，所设计的光定向耦合
器在较宽的相对带宽上具有最大的平坦耦合率，从而验证了该方法的有效性。
[0075]
其中，根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个新的2
×
2定向耦合器的步骤过程中，两个光定向耦合器之间的耦合率取值范围为10％-90％。
[0076]
其中，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算公式为：
[0077][0078]
其中，
[0079][0080]
式中，
[0081]
s-马赫-曾德尔干涉仪中，两个光定向耦合器之间的功率耦合比，0《s《1；
[0082]
p2-信号输出数值；
[0083]
pin-信号输入数值；
[0084]
l1、l2-两个光定向耦合器两个方向的耦合长度；
[0085]
λc-中心波长；
[0086]
lc(λc)-相对于π/2耦合长度；
[0087]
le(λc)-终止校正因子；
[0088]-两个光定向耦合器两个方向的耦合长度l1、l2相对于π/2耦合长度lc(λc)的耦合相位角；
[0089]
θ-两个光定向耦合器的波导臂相对相位延迟。
[0090]
其中，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算方法包括以下步骤：
[0091]
根据式(1)，令得到，
[0092][0093]
其中，
[0094][0095][0096]
于是有
[0097][0098]
带入式(1)，得到
[0099][0100]
进而得到
[0101]
[0102]
式中，
[0103]-任意相位角。
[0104]
其中，
[0105][0106]
式中，
[0107]
δ-中心波长λc周围的相对随机相位。
[0108]
由于lc(λc)和le(λc)对耦合间隙、波导宽度、高度和折射率等的过程变化很敏感，因此对波长也很敏感。假定其中，由于工艺变化，δ被引入为中心波长λc周围的相对随机相位。目标是找到一组设计公式，这些公式可以设计任何期望的耦合比s(0《s《1)，然后找到最优的和θ，使得期望的耦合率s具有过程容差和宽带宽。
[0109]
其中，
[0110]
式(1)变化为，
[0111][0112]
令得到
[0113][0114][0115]
当δ
→
0(10)
[0116]
利用方程(5)、(6)、(10)，得到θ。
[0117]
其中，光定向耦合器的优化设计方法还包括以下步骤：
[0118]
根据优化后的光定向耦合器，计算耦合比随过程和频率的变化情况，得到验证结果，其中，若两个光定向耦合器具有最大平坦带宽，则两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式有效。参见附图4，仿真实验结果表明，设计的具有任意期望耦合比的光定向耦合器在宽带宽中覆盖了从10％到90％的整个范围。
[0119]
光定向耦合器的优化设计装置
[0120]
参见附图2，本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计装置包括：
[0121]
优化单元，根据需要的耦合系数，利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪，共同组成一个2
×
2定向耦合器；所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数，且具有最大平坦带宽和工艺容差；
[0122]
运算单元，用于根据所述两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。
[0123]
本发明提供的光定向耦合器的优化设计装置，使用所需的耦合系数作为输入参数，然后使用所提出的简单设计公式计算两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂
access memory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
[0132]
本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构并不构成对光定向耦合器的优化设计设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0133]
如图3所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及光定向耦合器的优化设计程序。
[0134]
在图3所示的光定向耦合器的优化设计设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明光定向耦合器的优化设计设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在光定向耦合器的优化设计设备中，光定向耦合器的优化设计设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的光定向耦合器的优化设计程序，并执行本发明实施例提供的光定向耦合器的优化设计方法。
[0135]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0136]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个2
×
2定向耦合器，其中，所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数,且具有最大平坦带宽和工艺容差；根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。2.根据权利要求1所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个新的2
×
2定向耦合器的步骤过程中，所述两个光定向耦合器之间的耦合率取值范围为10％-90％。3.根据权利要求1所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算公式为：其中，式中，s-马赫-曾德尔干涉仪中，两个光定向耦合器之间的功率耦合比，0<s<1；p2-信号输出数值；pin-信号输入数值；l1、l2-两个光定向耦合器的耦合长度；λc-中心波长；lc(λc)-相对于π/2耦合长度；le(λc)-末端校正因子；-两个光定向耦合器两个方向的耦合长度l1、l2相对于π/2耦合长度lc(λc)的耦合相位角；θ-两个光定向耦合器的波导臂相对相位延迟。4.根据权利要求3所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，根据所述2
×
2光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式，得到优化后的光定向耦合器的结构参数的步骤过程中，运算方法包括以下步骤：根据式(1)，令得到，其中，
于是有带入式(1)，得到进而得到式中，-任意相位角。5.根据权利要求3所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，式中，δ-中心波长λc周围的相对随机相位。6.根据权利要求5所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，式(1)变化为，令得到得到得到利用方程(5)、(6)、(10)，得到θ。7.根据权利要求1所述的光定向耦合器的优化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据所述优化后的光定向耦合器，计算耦合比随过程和频率的变化情况，得到验证结果，其中，若所述两个光定向耦合器具有最大平坦带宽，则所述两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式有效。8.一种光定向耦合器的优化设计装置，其特征在于，包括：优化单元，根据需要的耦合系数，利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，所述两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪，共同组成一个2
×
2定向耦合器；所述2
×
2定向耦合器具有精准的耦合系数，且具有最大平坦带宽和工艺容差；运算单元，用于根据所述两个光定向耦合器两个方向的耦合长度和波导臂相对相位延迟的运算公式运算，得到优化后的光定向耦合器的结构参数。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有光定向耦合器的优化设计程序，所述光定向耦合器的优化设计程序被执行时，实现权利要求1-7中任一所述的光定向耦合器的优化设计方法的步骤。10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有光定向耦合器的优化设计程序，所述光定向耦合器的优化设计程序被所述处理器执行时，实现权利要求1-7中任一所述的光定向耦合器的优化设计方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种光定向耦合器的优化设计方法、装置、介质及电子设备，属于光定向耦合器技术领域。该方法包括：根据需要的耦合系数,利用优化设计公式计算出两个光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，两个光定向耦合器和延迟线，形成马赫-曾德尔干涉仪,共同组成一个2


技术研发人员：袁晓君
受保护的技术使用者：北京弘光向尚科技有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/23