基于数字超结构的功能性波导设计与实现

发布时间：2020-07-30 17:27

【摘要】：近年来,硅光子技术发展已较为成熟,基础的硅波导器件已经被深入研究,其体积和性能也趋于稳定,这样限制了硅光子器件的集成度。随着光互联和光通信的飞速发展,硅光子学中每单位芯片面积的数据吞吐量和功能的缩放驱动需要具有更密集布局的大规模集成光子芯片。弯曲波导和锥形波导是集成光学器件和系统中最常用的构件。弯曲波导已被纳入许多硅光子多项目晶圆(MPW)设计套件中,具有亚微米截面的硅光子波导已被广泛用于片上互连和功能光子集成电路(PIC)。本文针对PIC的高集成度这一需求,展开了超小尺寸的弯曲波导和锥形波导等硅波导器件的优化设计。针对硅波导器件高性能和小尺寸等要求,本文提出一种基于数字超结构的硅波导器件设计方案。我们实现了一种任意固定衰减值的超紧凑衰减器,进行超小半径弯曲波导的优化设计以及优化了数字超结构的锥形波导,还展示了锥形优化结构与光栅配合形成耦合器的应用。并且将其与聚焦型和线性锥形光栅耦合器比较,证明其可行性。所有硅波导器件遵循相同的设计、制备和测量过程:根据设计要求将硅波导器件建模仿真,将优化区域均匀划分为正方形子单元,每个子单元具有两种材料属性。不同属性的子单元排列可以获得不同的器件性能,使用逆向优化算法可以自动设计出实现目标性能所需要的子单元排列。基于这种优化的数字超结构,使用三维有限时域差分(3D FDTD)方法模拟得到其光场分布和传输效率来观察和对比优化效果。依照设计结构,进行实验制备获得样品,遵循半导体工艺流程依次完成切片、洗片、匀胶、电子束曝光(EBL)、显影定影、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)和氧离子去胶的过程,之后还要通过电镜扫描确认制备样品的结构和尺寸。在测试实验中,搭建光纤-片上耦合测试平台,并对制备的每个器件进行精确地测量,需要对高传输效率的优化结构进行级联制备以减小测量误差,对测量数据进行归一化处理得到实验效率,与仿真数据相互比较。并且对器件的性能和鲁棒性进行分析和对比。文中所有硅波导器件都是为C波段和TE模式设计的。设计方法和结构也允许TM模式和其他光谱波段。与目前已报道的同类型器件相比,本文展示的硅波导器件在性能达到很高的同时,其结构尺寸最小,并且都进行样品制备,实验性能与仿真一致,具有较好的鲁棒性。这突破了传统硅波导器件的尺寸限制,在集成光学器件和系统中具有潜在的应用价值。
【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】：2018
【分类号】：TN252
【图文】：

像素点,优化结构,分束器

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文这种拓扑型优化结构是任意的，因此优化效果较好。但是由于其优化像素多，因此对计算机的硬件性能有很高的要求，且设计的器件结构不规则，最小寸往往超出光刻分辨率，因此在制备时要对设计结构进行额外修正，这样导致备的样品性能很难达到设计目标，且器件的鲁棒性也较差。因此，硅波导器件拓扑型优化研究较小，因为很难达到制备要求。（2）像素点型优化的研究像素点型的优化是以规则图形为子单元进行设计，其子单元一般为方形或圆形。2015 年，犹他大学的 Bing Shen 在 Nature Photonics 发表文章，首次提出方形像素点型的逆向自动优化方法并以此设计和制备出一种超小尺寸的硅基偏分束器[34]。器件尺寸仅为 2.4×2.4 μm2，是目前为止有报道的最小偏振分束器。件的工作带宽 32 nm，传输效率 70%以上，消光比 10 dB。其像素点的尺寸120×120 nm2，这是很容易实现更重要的是，通过仿真发现这种方形像素点型的化设计有较好鲁棒性，能容忍较高（±20 nm）的工艺误差。这种方形像素点型逆向设计在目前报道中应用最多的。

优化结构,型模,复用器,像素点

图 2-3 圆形像素点型模式（解）复用器优化结构图 2-4 半圆环像素点型旋光发生器优化结构1.2.2 不同优化算法的研究发展目前硅波导器件逆向优化的研究中，优化算法的开发也是一个热点。器件能够实现自动优化，那么自动优化的器件性能和优化时间就是一个可以相互比较和更新的方面。而决定这个方面的关键因素就是优化算法的选择和应用。优化算法

旋光,优化结构,像素点,半圆环

再将每个圆环划分为若干像素点进行优化，设计了一个将平面波导光转化为空间漩涡光的旋光发生器[36]，如图2-4 所示。随着研究的拓展，面对不同的优化结构，可以选择合适的像素点对优化区域进行划分，但总体来说，对于片上的平面结构来说，方形像素点是最常用的优化方式，这样可以充分利用设计区域。

【参考文献】