逆向设计的硅基无源器件以及三维光子集成的研究

发布时间：2020-06-19 15:41

【摘要】：以信息技术为主体的信息革命浪潮推动着21世纪正式进入信息化时代,受寄生电容、寄生电阻等限制的传统集成电路已不能满足当前快速增长的通信容量的需求,大带宽、高速率、低能耗、低延迟、小尺寸的片上集成光路越来越多的受到研究者的关注。随着光芯片集成密度的增加,芯片上的器件数量和线路复杂度也成指数式增长。为进一步提高集成密度,本文提出了两个可行的思路:减小器件尺寸和增加集成维度,即逆向设计的超小型硅基器件和三维光子集成。主要工作概括如下:(1)介绍了硅基光子学、逆向设计的纳米光子学器件以及三维光子集成的研究现状和意义,并对耦合模理论和几种优化算法的理论模型进行了分析,为后续的硅基无源器件的逆向设计和三维光交叉连接器的设计奠定基础。(2)分别采用粒子群算法、有约束最小化函数和直接二元搜索算法逆向设计了任意比例功分器、偏振不敏感功分器和高阶模式滤波器,在超小尺寸内实现低损耗、大带宽的高性能硅基无源器件。所设计的任意比例功分器在中心波长1550 nm处,损耗低于0.29 dB,功率分配比例误差低于0.05;对于偏振不敏感功分器,其在1550 nm处损耗低于0.35 dB,器件透过率不均衡性低于0.06%;TE1的定向耦合型模式滤波器,在1550 nm处损耗仅为0.18 dB,串扰则低于-27 dB。此外,也综合使用直接二元搜索算法和有约束最小化函数设计了模式杂化器,结合两种算法各自的优点,所设计器件在1550 nm处损耗低于0.49 dB,器件透过率不均衡性低于0.6%。(3)基于SiN-on-SOI平台设计了三维光交叉连接器,包括反向倒锥垂直耦合器和亚波长光栅波导三维交叉结构。通过优化结构参数,实现了在1500-1600 nm波长范围内器件理论损耗低于0.14 dB。(4)详细讨论了制备硅基二维平面器件和三维器件所需的工艺流程,并实验制作了定向耦合型模式滤波器和三维光交叉连接器。测试结果表明,TE1模式滤波器在1550 nm处损耗约为0.7 dB,串扰低于-16 dB;三维光交叉连接器在1550-1600 nm波长范围内层间垂直耦合损耗低于0.76 dB,波导交叉处串扰低于-30 dB。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN256
【图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪论1.1 引言以信息技术为主体的信息革命浪潮推动着 21 世纪正式进入信息化时代，尤其是大数据、人工智能等新兴产业的飞速发展更是离不开信息化的参与。信息生产力是当今先进生产力的表现之一，而这也高度依赖着大量数据的产生、传输、分析和处理。如图 1-1(a)所示，2016 年全球数据量已达到 51 艾字节(1 EB = 260Byte)，且预计到2021 年数据量将再增加 5 倍[1]。愈加庞大的数据量，以及人们对数据传输和处理能力的需求的增加，都对网络通信容量提出了更高的要求。高速率、大带宽、高效率的通信互联技术是未来的主要发展趋势。

“直接设计法”已经得到了长期的成功案例验证，但是，随着大带宽、多频段、非线性、密集集成的纳米光子学器件的发展，继续使用“直接设计法”的复杂性和困难度会越来越高。为了解决传统设计方法在日渐复杂的光子学器件设计中所遇到的困难，逆向设计的方案被提出，其基本原理如图 1-3 所示。传统的直接设计法是根据设计目标，基于已有知识，从已知模型库中选择若干模型进行组装，使之大致满足设计需求，再进一步根据器件结构和材料，从麦克斯韦方程出发计算器件频谱等特性，调节少量的模型特征参数，使结果与设计目标更匹配。而逆向设计则是直接从目标出发，用一个目标函数来衡量器件性能与设计目标的匹配程度，在保证器件满足麦克斯韦方程的前提下，调节优化区域结构参数和材料参数，例如打孔或优化拓扑边界，使目标函数得到极值。因为逆向设计不再局限于已知的模型库中，所以可调节参数会更多甚至是无数个，设计更加灵活方便。该方法除了可用于功能复杂器件，在一些传统器件上也有很多应用。一般情况下，设计的器件尺寸也会比传统设计方案设计的尺寸小很多。

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本文编号：2721003