基于数字超结构的多模弯曲波导的逆向设计与实现

发布时间：2020-03-31 15:11

【摘要】：近年来,互联网中产生的信息呈现出爆炸式增长,传统的信息处理方法开始难以应对这日益增长的信息容量。随着集成光子技术的发展,利用片上模式分复用技术(Mode Division and Multiplexing,MDM)在同一传输信道中以多种传输模式光为载体进行信息传输,从而大大地提高了信息传输容量,为解决这一难题提供了希望。而在片上MDM系统中,弯曲波导起到了重要的作用,其现在已被纳入多家硅光子器件设计套件中。由于弯曲波导的存在,使得在设计集成光子系统时能够进行灵活的布线,这样会大大降低片上集成系统的占用面积,同时能够提高系统的集成密度。本论文针对这一研究背景,提出了基于逆向设计的优化方式来设计能够支持多种模式传输的弯曲波导。在设计中选择绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)作为器件设计的材料平台,基于三维模型的时域差分法来进行设计过程的优化步骤,在软件中编写优化算法脚本并进行编译运行。我们将波导的弯曲处进行离散化处理,形成一定数量的像素点,通过改变像素点的材料属性进而来影响模式光在弯曲波导中的传输情况。优化算法会通过不断的迭代过程来确定每个像素点的材料属性:硅或者空气,从而使得模式光在弯曲波导中的传输效率达到最优值。在经过一定次数的优化迭代后,得到了三种多模弯曲波导结构,其分别能支持两种模式光(TE_0、TE_1)、三种模式光(TE_0,TE_1,TE_2)以及四种模式光(TE_0,TE_1,TE_2,TE_3)低损耗传输,其工作波长范围为1535 nm至1565 nm。仿真结果表明,在整个工作带宽内,三种弯曲波导的平均传输损耗均在1 dB左右,且相互间的模式串扰平均值小于-15 dB,仿真结果达到了设计时的指标。此外,在论文中详细描述了在超净实验室内制备硅光器件的工艺流程:切片、洗片、匀胶、电子束曝光(Electron Beam Lithography,EBL)、显影、定影、反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)、氧离子去胶以及在显微镜下检查等步骤。通过不断地调试器件的制备工艺,最终得到了质量较好的器件,并对其进行实验测量。与此同时,在论文中详细描述了实验测量所用的光路的搭建以及测量时的注意事项。通过对每个器件进行波段扫描,并进行归一化处理,得到了器件的测量数据。在制备工艺误差允许的范围内,实验测量结果能够与设计值较好地相吻合,这表明所制备出来的器件具有良好的性能,能够满足在片上使用的要求。用基于逆向设计方法所设计出来的这三种多模弯曲波导与已有文献中所报道的弯曲波导相比,具有器件尺寸小、传输损耗低、支持模式数多以及制备工艺简单等优点,这些优势将会在很大程度上减小片上集成光子系统的占用面积,同时也将会在很大程度上提高片上光子系统的集成密度。
【图文】：

优化后弯曲波导结构

图 1-2 算法优化弯曲波导结构示意图及传输电场图[43] 2018 年，华中科技大学研究人员提出了将弯曲波导用方形e Interference, MMI)代替，再利用逆向设计算法在 MMI 结构两个光场模式（TE0，TE1）的低损耗传输[42]，如图 1-3 所示径为 3.6 μm，两种模式的传输损耗均低于 1 dB，且其设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN252

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本文编号：2609237