一种铌酸锂薄膜Y波导调制器的拓扑优化及相关组件

本发明涉及光通信、光计算以及传感，尤其涉及一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化及相关组件。

背景技术：

1、集成光学的概念是基于采用微刻蚀技术在平面衬底上制作光波导元器件，与集成电子学一样，它提供批量生产过程中将几种功能集成到同一个光路上的潜力，同时又利于实现小型化和减少光学连接。因此，采用多功能集成光学器件很早就被人们认为是研制陀螺的一种非常有前途的技术途径。最典型的集成光学器件的例子就是集成光学调制器，也称为y波导调制器。它集分束器、偏振器及相位调制器于一体，具有调制带宽大、高偏振消光比、高度集成化等一系列优势，已经广泛应用在马赫-曾德尔型干涉仪、自相干、光纤陀螺和光量子器件中。y波导调制器的调制原理是在电极处加载外加电场从而改变波导的折射率，此时通过波导的光束会产生相位差，因而实现经过的光束进行相位调制的功能。高偏振消光比(单偏振工作)对于端面耦合的调制器件有重要的意义，端面耦合中保偏光纤的偏振轴和y波导调制器的晶向存在对准误差，会在光波导中激励起不同偏振的分量，造成偏振消光比偏低，这对于调制器的效率或者光纤陀螺中的sagnac效应的传感精度都会造成恶化。此前的技术方案主要是通过高精度的六轴对准平台结合透过谱测试来确保y波导调制器单偏振工作，随后再进行紫外固化封装。而这种封装方式比较繁琐，难以大批量制备器件。

技术实现思路

1、本发明提供一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化及相关组件，用以解决现有技术中耦合对准效率低、步骤复杂且可重复性差的缺陷，通过拓扑优化方法设计铌酸锂薄膜y波导调制器的结构，实现铌酸锂薄膜y波导调制器的单偏振传输，并结合逆向设计优化铌酸锂薄膜y波导调制器的插入损耗来实现一个高性能的单偏振工作的铌酸锂薄膜y波导调制器。

2、本发明提供一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法，包括：控制在预设优化区域内的铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率在预设折射率范围内连续变化取值以对所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率进行优化；将连续变化取值的所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率映射为二值折射率，所述二值折射率对应所述铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布；优化所述铌酸锂薄膜y波导调制器的曲率半径，得到优化曲率半径值；根据所述铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布和所述优化曲率半径值对所述铌酸锂薄膜y波导调制器进行拓扑优化设计。

3、根据本发明提供的一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法，所述控制在预设优化区域内的铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率在预设折射率范围内连续变化取值以对所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率进行优化，包括：建立所述铌酸锂薄膜y波导调制器的高度和宽度的目标函数，同时结合梯度下降算法优化所述目标函数以对所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率进行优化。

4、根据本发明提供的一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法，所述将连续变化取值的所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率映射为二值折射率，包括：利用sigmiod函数将所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率逼近所述预设折射率范围最大值或者最小值；利用阶跃函数映射所述最小值和所述最大值以得到所述二值折射率；所述sigmiod函数为：

5、

6、其中，x为所述预设优化区域内每个点的折射率取值。

7、根据本发明提供的一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法，所述优化所述铌酸锂薄膜y波导调制器的曲率半径，得到优化曲率半径值，包括：对所述目标函数加入结构惩罚项得到惩罚函数；利用所述惩罚函数优化所述铌酸锂薄膜y波导调制器的曲率半径以得到优化曲率半径值。

8、本发明还提供一种根据以上所述的铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法的铌酸锂薄膜y波导调制器，包括从下往上依次布置的衬底、埋氧层、铌酸锂层和包层，在所述包层下设有薄膜y波导，在所述包层上设有电极层。

9、本发明还提供一种根据以上所述的铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法的铌酸锂薄膜y波导调制器的制备方法，包括：

10、步骤1、在衬底上沉积一层埋氧层；

11、步骤2、在步骤1得到的样品上制备铌酸锂层；

12、步骤3、在步骤2得到的样品上利用eb曝光制备转移刻蚀图案；

13、步骤4、在步骤3得到的样品上沉积cr层；

14、步骤5、在步骤4得到的样品上抬离去除所述转移刻蚀图案和所述转移刻蚀图案上的cr层；

15、步骤6、在步骤5得到的样品上icp刻蚀去除所述铌酸锂层除去上部覆盖cr层的其他部分；

16、步骤7、在步骤6得到的样品上通过研磨抛光工艺去除cr层；

17、步骤8、在步骤7得到的样品上pecvd沉积sio2层；

18、步骤9、在步骤8得到的样品上通过研磨抛光工艺制作抛光端面；

19、步骤10、在步骤9得到的样品上通过溅射或蒸镀方式镀上电极层，完成所述铌酸锂薄膜y波导调制器的制备。

20、本发明还提供一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化装置，包括：控制单元，用于控制在预设优化区域内的铌酸锂薄膜y波导调制器的材料的折射率在预设折射率范围内连续变化取值以对所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率进行优化；二值单元，用于将连续变化取值的所述铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率映射为二值折射率，所述二值折射率对应所述铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布；优化单元，用于优化所述铌酸锂薄膜y波导调制器的曲率半径，得到优化曲率半径值；设计单元，用于根据所述铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布和所述优化曲率半径值对所述铌酸锂薄膜y波导调制器进行拓扑优化设计。

21、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法。

22、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法。

23、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法。

24、本发明提供一种铌酸锂薄膜y波导调制器的拓扑优化方法及相关组件，包括：控制在预设优化区域内的铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率在预设折射率范围内连续变化取值以对铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率进行优化；将连续变化取值的铌酸锂薄膜y波导调制器的材料折射率映射为二值折射率，二值折射率对应铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布；优化铌酸锂薄膜y波导调制器的曲率半径，得到优化曲率半径值；根据铌酸锂薄膜y波导调制器的最优材料折射率分布和优化曲率半径值对铌酸锂薄膜y波导调制器进行拓扑优化设计。本发明通过拓扑优化方法设计铌酸锂薄膜y波导调制器的结构，实现铌酸锂薄膜y波导调制器的单偏振传输，并结合逆向设计优化铌酸锂薄膜y波导调制器的插入损耗来实现一个高性能的单偏振工作的铌酸锂薄膜y波导调制器。