点状光斑扩束器
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第30卷 第9期光 学 学 报 V ol .30,N o .9 2010年9月 ACTA OPTICA SINICA September ,2010 文章编号:0253-2239(2010)09-2690-06 亚波长光栅偏振分束器的研究 郭楚才 叶卫民 袁晓东 曾 淳 季家镕 (国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073) 摘要 利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对T E 偏振光具有很高的反射率同时对T M 偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm 的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。 关键词 光栅;偏振分束器;散射矩阵方法;亚波长光栅;泄漏模共振效应;类布儒斯特效应中图分类号 O436 文献标识码 A do i :10.3788/AO S 20103009.2690 Re se arch on Sub -Wavelength Grating Polarizing Beam Splitter Guo Chucai Ye Weimin Yuan Xiaodong Zeng Chun Ji Jiarong (College of Optoelectric Science and Engineering ,National University of D efense Technology , Changsha ,Hunan 410073,China ) Abstract A near -infrared (NIR )polarizing beam splitter is designed based on a single layer sub -wavelength silicon grating ,which is reflective for TE polarization and transparent for TM polarization around the incident angle of 45°.The design of the proposed beam splitter is based on the leaky -mode resonance effect and Brewster -like effect of the sub -wavelength grating .Scattering matrix method and finite -difference time -domain method are utilized to design and analyse the structure .Sim ulation results show that both the reflection and transmission extinction ratios of the beam splitter are over 100in the wavelength range of 1390～1600nm .Moreover ,the polarizing beam split ter has a relative big angular tolerance and the effic iency of the beam splitter under the illumination of a Ga ussian beam with finite size is very high . Key word s gratings ;polarizing bea m splitter ;scattering matrix method ;sub -wavelength grating ;leaky -mode resonance effect ;Brewster -like effect 收稿日期:2009-10-26;收到修改稿日期:2009-12-04 作者简介:郭楚才(1981—),男,博士研究生,主要从事纳米光子学方面的研究。E -mail :g cc 1981@y ahoo .com .cn 导师简介:季家镕(1946—),男,教授,博士生导师,主要从事集成光学方面的研究。E -mail :jijiaro ng @ho tmail .co m 1 引 言 偏振分束器是光网络和光信息系统的关键元件,它可以广泛应用于自由空间光开关、磁光数据存储以及偏振成像系统等。传统的偏振分束器主要利用具有双折射效应的天然晶体或者多层膜结构来实现偏振分束。由于天然双折射晶体体积大,无法实现微型化和集成化;多层膜结构与天然晶体偏振分束器相比,其厚度大大减小,但是需要堆积的薄膜层数很多,制备过程相对复杂,因此这两种偏振分束器的应用都受到很大的限制。 近年来,具有特殊衍射特性的亚波长光栅日益受到人们的关注,已被广泛用于设计宽带反射镜[1～3]、法布里-珀罗腔[4] 、滤波器[5～10] 、探测器[11] 与防伪结构[12]等光学元器件,偏振分束器也不例外。例如,Deer Yi 等[13]提出了基于全反射的亚波长光栅偏振分束器,该结构具有很宽的工作带宽,但是因其覆盖层和衬底材料都需要很高折射率的介质,限制了该结构的应用范围;Y .Zhang 等[14]提出了一种双层堆栈结构分束器,该结构具有很大的入射角容差,但是其工作带宽较窄且消光比相对较低。
基本差分进化算法 1基本差分进化算法的基本思想 DE 算法是一种基于实数编码的用于优化函数最小值的进化算法，是在求解有关切比雪夫多项式的问题时提出来的，是基于群体差异的进化计算方法。它的整体结构类似于遗传算法，一样都存在变异、交叉和选择操作，但是它又不同于遗传算法。与基本遗传算法的主要区别在于变异操作上，如： 1、传统的遗传算法采用二进制编码，而差分进化算法采用实数编码。 2、在遗传算法过两个父代个体的交叉产生两个子个体，而在差分进化算法过第两个或几个个体的差分矢量做扰动来产生新个体。 3、在传统的遗传算法中，子代个体以一定概率取代其父代个体，而在差分进化中新产生的个体只有当它比种群中的个体优良时才替换种群中的个体。 变异是DE 算法的主要操作，它是基于群体的差异向量来修正各个体的值，其基本原理是通过把种群中两个个体的向量差加权后，按一定的规划与第三个个体求和来产生新个体，然后将新个体与当代种群中某个预先决定的个体相比较，如果新个体的目标值优于与之相比较的个体的目标值，则在下一代中就用新个体取代，否则，旧个体仍保存下来。 差分进化算法其基本思想是：首先由父代个体间的变异操作构成变异个体；接着按一定的概率，父代个体与变异个体之间进行交叉操作，生成一试验个体；然后在父代个体与试验个体之间根据适应度的大小进行贪婪选择操作，保留较优者，实现种群的进化。 2 差分进化算法的基本操作 设当前进化代数为t ，群体规模为NP ，空间维数为D ，当前种群为 {}12(),, ,t t t NP X t x x x =，()12,, ,T t t t t i i i iD x x x x =为种群中的第i 个个体。在进化过程 中，对于每个个体t i x 依次进行下面三种操作。 2.1 变异操作 对于每个个体t i x 按下式产生变异个体12(,, ,)t t t t T i i i iD v v v v =，则 123() 1,2, ,D t t t t ij r j r j r j v x F x x j =+-= (1) 其中111112(,,,)t t t t T r r r r D x x x x =，222212(,,,)t t t t T r r r r D x x x x =和333312(,, ,)t t t t T r r r r D x x x x =是群 体中随机选择的三个个体，并且123r r r i ≠≠≠；1t r j x ，2t r j x 和3t r j x 分别为个体1r ，2r 和3r 的第j 维分量；F 为变异因子，一般取值于[0,2]。这样就得到了变异个体t i v 。
47, 051301 (2010) ?2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301 基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的 TE/TM偏振分束器 王剑威戴道锌时尧成杨柳 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。 关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅 中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 A Design of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu (Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China) Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 μm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB. Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator 1 引言 近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。硅纳米线光波导具有折射率差大、弯曲半径小(约2 μm)、与CMOS制造工艺兼容、可实现超高集成度等优点[1,2]。目前已经研制了很多种超小尺寸硅纳米光波导器件，如阵列波导光栅[3,4]、微环谐振器[5,6]、功分器[7,8]等。偏振 收稿日期：2009-08-02; 收到修改稿日期：2009-11-23 基金项目：国家自然科学基金(60607012)(和浙江省自然科学基金(J20081048))资助课题。 作者简介：王剑威(1986—)，男，硕士研究生，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: wangjianwei@https://www.doczj.com/doc/0a13661317.html, 导师简介：戴道锌(1979—)，男，博士，副教授，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: dxdai@https://www.doczj.com/doc/0a13661317.html,(通信联系人)
基本差分进化算法 基本模拟退火算法概述 DE 算法是一种基于群体进化的算法，其本质是一种基于实数编码的具有保优思想的贪婪遗传算法。由于DE 算法操作简单，寻优能力强，自提出以来引起了国内外学者的高度关注，目前已在电力系统优化调度、配网重构等领域得到了应用。1、算法原理 DE 算法首先在N 维可行解空间随机生成初始种群，其中P 000 1[,,]N =X x x L ，为DE 种群规模。DE 算法的核心思想在于采取变异和交叉操 000T 1[,,]i i iN x x =x L p N 作生成试验种群，然后对试验种群进行适应度评估，再通过贪婪思想的选择机制，将原种群和试验种群进行一对一比较，择优进入下一代。 基本DE 算法主要包括变异、交叉和选择三个操作。首先，在种群中随机选取三个个体，进行变异操作： 1123() t t t t i r r r F +=+-v x x x 其中表示变异后得到的种群，表示种群代数，为缩放因子，一般取(0,2]，1t i +v t F 它的大小可以决定种群分布情况，使种群在全局范围内进行搜索；、、 1t r x 2t r x 为从种群中随机抽取的三个不同的个体。 3t r x 然后，将变异种群和原种群进行交叉操作： 1 ,R 1 ,,R () or () () and () t i j t i j t i j v rand j C j randn i u x rand j C j randn i ++?≤=?=?>≠??其中表示交叉后得到的种群，为[0,1]之间的随机数，表示个体的第 t 1,i j u +()rand j j 个分量，为交叉概率，为之间的随机量，用于保证新个体至 j R C ()randn i [1,,]N L 少有一维分量由变异个体贡献。 最后，DE 算法通过贪婪选择模式，从原种群和试验种群中选择适应度更高的个体进入下一代： 11t 11 ()() ()() t t t i i i i t t t i i i f f f f ++++?<=?≥?u u x x x u x 、分别为和的适应度。当试验个体的适应度优于时， 1()t i f +u ()t i f x 1t i +u t i x 1t i +u t i x
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910177659.7 (22)申请日 2019.03.09 (71)申请人 珠海市杰威光电科技有限公司 地址 519000 广东省珠海市香洲区福田路 18号1栋3层315-41 (72)发明人 肖俊鹏 (74)专利代理机构 北京联瑞联丰知识产权代理 事务所(普通合伙) 11411 代理人 张清彦 (51)Int.Cl. G02B 6/27(2006.01) G02B 6/32(2006.01) (54)发明名称 一种偏振分束器 (57)摘要 本发明提供了一种偏振分束器，包括第一光 纤头、第一透镜、第二透镜、双折射晶体以及第二 光纤头；所述第一光纤头由一根光纤和毛细管或 陶瓷插芯组成，所述双折射晶体设置在所述第一 光纤头的另一侧，所述第一透镜设置在所述双折 射晶体的另一侧，所述第二透镜设置在所述第一 透镜的一侧，所述光第二光纤头设置在所述第二 透镜的另一侧，所述第二光纤头由双光纤和双芯 毛细管或陶瓷插芯组成，本发明通过上述结构， 通过设置双折射晶体的方式无需设置渥拉斯顿 棱镜或PBS棱镜，解决了渥拉斯顿棱镜及PBS棱镜 成本过高和采用渥拉斯顿棱镜需要精确匹配角 度导致的低效率的问题，同时也可以使得偏振分 束器可以更加紧凑更加小型化，并且由于双折射 晶体可同时实现光线集束及分束的功能，所以本 发明还可通过切换光纤的输入输出方向实现合 束器功能， 扩宽了本发明的适用场景。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 109814205 A 2019.05.28 C N 109814205 A