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硅基紧凑低损耗偏振分束器的半逆向设计研究
一、作者与发表信息
本研究由Yuqi Zhao、Jingshu Guo（通讯作者）、Laiwen Yu等来自浙江大学光学科学与工程学院、现代光学仪器国家重点实验室、嘉兴智能光学与光子学研究中心的团队完成，发表于IEEE旗下会议（Opto-Electronics and Communications Conference, OECC 2023）。
二、学术背景
研究领域：硅基光子学（Silicon Photonics）中的偏振分束器（Polarization Beam Splitter, PBS）。
研究动机：传统PBS设计虽性能优异，但器件尺寸较大，难以满足高集成度需求。如何通过设计方法学突破，实现超紧凑、低损耗的PBS是核心挑战。
背景知识：
1. PBS是光通信、激光系统中的关键器件，用于分离/合并TE（横电模）和TM（横磁模）模式。
2. 传统正向设计（forward design）依赖人工经验，而逆向设计（inverse design）通过算法优化结构，但计算成本高且易陷入局部最优。
研究目标：提出一种半逆向设计方法（semi-inverse design），结合算法优化与人工干预，实现尺寸仅1.6×4.9 μm²的低损耗PBS。
三、研究流程与方法
1. 半逆向设计框架
- 几何参数定义：将器件沿长度方向分为N段（最终N=34），每段参数包括长度（L）、横向角位置（dn）、亚波长光栅（Subwavelength Grating, SWG）周期（p=0.2 μm）和填充因子（λ=0.5）。
- 优化目标：最大化TE和TM模式的传输效率（|S31|²=1, |S62|²=1），目标函数（FOM）为传输损耗的加权平均。
- 多阶段优化策略：
- 初始结构：对称Y分支，优化区域长度从2.5 μm逐步扩展至3.4 μm。
- 迭代过程：
- 空气槽器件：经572代迭代，FOM达0.36 dB。
- SiO₂槽器件：以空气槽结果为初始值，42代迭代后FOM优化至0.335 dB。
- 人工干预：包括结构插值、电磁（EM）求解器调整、网格精度动态切换（14→18点/有效波长）。
2. 仿真与验证
- 仿真工具：3D-FDTD（有限时域差分法）求解器，分快速仿真（18秒/样本）和高精度仿真（2分钟/样本）。
- 性能验证：采用超密网格（26点/有效波长）确认最终设计，理论损耗（EL）为TE 0.19-0.48 dB、TM 0.33-0.61 dB，消光比（ER）>13.8 dB（1490-1610 nm波段）。
3. 实验制备与测试
- 器件制备：通过电子束光刻（EBL）和干法刻蚀在硅基芯片上加工PBS，SEM图像显示结构精度达标。
- 测试方案：
- 传输特性：使用TE/TM光栅耦合器输入/输出，测得TE模式ER>14.9 dB（1520-1610 nm），TM模式ER>9.0 dB（1520-1561 nm）。
- 损耗测量：通过级联10/20个PBS的截止法（cut-off method）估算单器件EL<0.44 dB（TE）和<0.62 dB（TM）。
四、主要结果
- 超紧凑尺寸：1.6×4.9 μm²，为同类最小之一（对比文献[10]的1.4×1.4 μm²但ER较低）。
- 低损耗性能：实验EL<0.6 dB，与仿真一致，优于传统设计（如文献[7]的<0.9 dB）。
- 带宽与ER权衡：ER（9-14.9 dB）略低于部分文献（如[8]的>20 dB），但可通过级联结构改进。
五、结论与价值
科学价值：
- 提出半逆向设计方法论，通过算法与人工干预平衡搜索效率与性能，为光子器件设计提供新范式。
- 验证了亚波长光栅（SWG）在超紧凑器件中的潜力。
应用价值：
- 适用于高密度光子集成电路（PIC），如数据中心光互连、量子光学系统。
- 低损耗特性可降低系统功耗，提升信号完整性。
六、研究亮点
- 方法创新：首次将多阶段优化与动态人工干预结合，显著降低逆向设计计算成本。
- 性能平衡：在超小尺寸下实现与正向设计相当的损耗（<0.6 dB）。
- 工艺兼容性：采用标准CMOS工艺，便于大规模生产。
七、其他价值
- 资助信息：国家自然科学基金（62175216）、浙江省领军创新团队等项目支持。
- 未来方向：优化算法以提升ER，探索更复杂器件（如偏振不敏感耦合器）的设计。
（报告字数：约1500字）