宽带波导耦合器遗传算法优化的COMSOL有限元仿真

Fu P.-H. et al. | Optics Express 2016, 24(26), 30547 | COMSOL-FEM + 遗传算法

一、研究背景与设计思路

定向耦合器是光子集成回路（PIC）中最基础的器件之一，广泛用于光开关、滤波器和功率监测。传统平行波导定向耦合器的耦合系数κ对波长高度敏感，工作带宽极窄。台湾大学研究团队提出一种广义设计思路：把整个耦合器沿传播方向分割成34个短节段，把每一节的传播常数β与耦合系数κ都当作优化变量，用遗传算法（GA）自动寻优，从而在SOI平台上实现任意分光比、C+L波段（1530~1630nm）宽带工作的耦合器。本文重点复现其COMSOL有限元仿真建模与验证流程。

图1 双波导耦合系统三维示意图——WG0/WG1宽度w0(z)、w1(z)与间距G(z)沿z方向渐变，光从WG0输入端进入，由Bar与Cross端口输出

二、COMSOL有限元仿真：β、κ查找表的构建

常规做法是用耦合模理论（CMT）重叠积分算κ，但对强约束、强耦合的硅波导误差较大。论文采用**COMSOL Multiphysics有限元法（FEM）**求解单波导与耦合波导的本征值问题，直接得到β0、β1、κ与ψ，κ精度显著优于重叠积分。仿真设置：SOI条波导高度h=320nm、宽度w=320nm，耦合间距G=300nm；考虑Si与SiO₂在1500~1660nm的材料色散。图2给出了COMSOL输出的准TM模场分布——单波导基模、偶超模与奇超模，由超模理论ψ=(βe−βo)/2确定耦合强度。

图2 COMSOL有限元本征模求解的准TM模场分布——(a)单条条波导基模、(b)偶超模、(c)奇超模，h=w=320nm、G=300nm

在此基础上，用COMSOL批量计算构建查找表：变量范围λ=1530~1630nm、w0与w1=280~360nm、G=150nm~1µm。图3(a)表明Δβ随宽度w0增大呈二次增长、几乎不随波长变化，即Δβ(λ,w)≈Δβ(w)；图3(b)表明κ随间距G增大呈指数衰减、并随波长增大而增大。有了这两张查找表，优化过程中CMT光谱计算只需查表插值，不需要重复剖分网格，大大缩短遗传算法的求解时间。

图3 COMSOL-FEM计算的两张查找表——(a)Δβ(λ,w0)随宽度二次增长且几乎不随波长变化；(b)κ(λ,G)随间距指数衰减、随波长增大

三、遗传算法优化与宽带耦合器实现

器件总长L=34µm，分割为34个梯形节段（Δz=1µm），每段再细分为10个小矩形（Δz′=0.1µm）。优化变量为G_i∈[0.15µm,1µm]、w0,i∈[280nm,360nm]，相邻节段宽度变化限制≤10nm、间距偏转角≤2.5°，以保证CMT精度。适应度函数F50/50=Σ(P0(λl)−0.5)²，λl=1530+10l nm（l=0~10）；种群300、轮盘赌选择、交叉率0.6、附加变异算子。为避免陷入局部最优，先用简化模型（κ=p·z+q·R1(z)，Δβ=r·(R2(z)−0.5)）生成合理初始种群，再进入完整优化。350代后F50/50降至1.4×10⁻⁴（图4）。

图4 遗传算法最佳适应度收敛曲线——350代后F50/50低至1.4×10⁻⁴，前100代快速下降

优化结果（图5）：50/50耦合器在1530~1630nm内P0=49.57%~50.81%，功率偏差±0.070dB、±1%带宽超100nm，约为传统耦合器的30倍。同样的方法成功设计了75/25、25/75、0/100耦合器，±2%带宽均超100nm；扩展到200nm带宽设计（±0.352dB）与准TE模式（h=320nm/w=320nm：±0.055dB；h=220nm/w=350nm：±0.222dB），证明方法对任意分光比、偏振与几何参数通用。

图5 宽带50/50耦合器优化结果——(a)输出功率谱P0=49.57%~50.81%；(b)(c)Δβ、κ沿z分布；(d)(e)(f)w0、w1、G优化轮廓

四、COMSOL-FEM验证与工艺容差分析

为验证CMT优化结果的可靠性，论文用全矢量BEM（束包络法，类似FEBPM）与**COMSOL 2D-FEM**做交叉验证：真实3D有限元计算量大，采用自研等效方法构建2D结构（与商用软件常用方法一致）。图6为BEM仿真的1530/1580/1630nm功率分布场，耦合区能量交换充分、输出端功率均衡。图7显示CMT与BEM在1530~1630nm差异<1%、1500~1660nm差异<2%，FEM结果与CMT同样吻合良好；BEM/FEM总输出功率99.2%~99.7%（CMT归一化为1）。计算耗时对比（λ=1580nm）：BEM约495s、FEM约245s、CMT仅0.006s——因此用CMT做优化、COMSOL-FEM做最终验证是最高效的组合。工艺容差分析显示Δw对Δβ影响小、对κ几乎无影响，间距减小与光约束增强两种机制相互补偿，容差良好。

图6 优化设计功率分布场（BEM全矢量仿真）——1530/1580/1630nm三个波长下耦合区能量交换充分，输出端功率均衡

图7 CMT、BEM与COMSOL-FEM三种方法计算的P0/P1对比——1530~1630nm差异<1%，验证耦合模理论设计的准确性

五、我们提供的服务

① 硅光/光子集成器件COMSOL有限元仿真——本征模求解、模场分析、色散计算 ② 定向耦合器/分束器/模式转换器设计与宽带优化——传播常数与耦合系数查找表构建 ③ 遗传算法等智能优化算法与数值仿真耦合的全流程设计 ④ 器件工艺容差分析与BEM/FEM/CMT多方法交叉验证 ⑤ 光学仿真技术培训与项目协作——从建模、求解器选择到后处理一键贯通 欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们，获取COMSOL光子器件仿真工程案例与技术方案。

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