0113001-1研究论文第43卷第1期/2023年1月/光学学报基于边界逆向优化算法的任意分光比耦合器设计廖俊鹏1，田野1*，杨子荣1，康哲2，郑紫薇3，金庆辉1，张晓伟11宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211；2浙江大学光电科学与工程学院，浙江杭州310058；3浙江万里学院数字产业研究院，浙江宁波315100摘要光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计，从而可有效降低设计复杂度，提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计，通过优化器件的边界形状，实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能，其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8（3dB、6dB和9dB）。器件的设计尺寸仅为4μm×2μm，且可以通过一步刻蚀完成。在1550nm波长处，所设计的耦合器均可达到设计目标，且最大插入损耗仅有0.12dB。在1500~1600nm波长范围内，三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1dB以内，并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28dB。针对制作工艺误差等问题，对器件的制作容差进行了分析。结果表明，当耦合器的整体宽度变化±20nm时，三种耦合器在1550nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1dB以内。此外，制造了分光比为1∶2的耦合器，且实验结果符合设计目标。关键词集成光学；全光器件；耦合器；逆向设计中图分类号TN256文献标志码ADOI：10.3788/AOS2212411引言光子集成技术的高速发展催生了众多热点研究领域，如光学互连［1-2］、片上光测量［3-4］和光学计算［5-6］等。基于绝缘体上硅（SOI）的平台因其高集成密度和与互补金属氧化物半导体器件（CMOS）工艺兼容等特性而成为实现光子集成环路的理想平台，备受科研界和产业界的关注。在基于该平台的诸多集成光学器件中，光耦合器是一种最基础和最重要的元器件，可用于实现光信号路由、功率分配和耦合控制等［7-9］。目前，大部分的光耦合器被设计为均匀分光。然而，灵活的功率分配方式可以有效减少系统复杂度，并促使光子环路满足更多特定需求，如功率分配［10］、无源光网络［11］和信号监测［12］等。因此，研究具有任意分光比的光耦合器设计具有重要意义。目前，传统的设计方案主要有：1）基于多模干涉耦合器（MMI）的结构，如Deng等［13］基于特殊设计的非对称MMI结构实现了1×2光耦合器的任意分光比设计，而Tian等［14］通过级联多个MMI也实现了任意分光比；2）基于定向耦合器（DC...
