硅基光器件设计技术研究

发布时间：2020-08-17 19:14

【摘要】：在硅基上同时制作电子器件和光子器件,并将其集成在同一个硅片上,可以构成具有很多特殊光电性能的光子器件,这些光子器件将广泛的应用于光通信系统、光互联技术和光计算等领域。传统的硅基光器件的设计都是根据器件的解析理论先得到初始结构,然后慢慢优化微调。这种方式不仅效率很低,而且在器件功能方面也有很大的局限性。另一方面,随着纳米光子学制作工艺的提升,制作高精度的器件结构不再困难。为了利用迅速发展的纳米制作工艺来提高硅基光器件的精度,一种称为逆设计的设计方式近年来被提出。硅基光器件的逆设计的方式本质上是一种数学计算的方式。首先对器件结构和目标性能进行数学建模,然后使用数学优化理论对建立的数学模型进行优化计算,最终得到满足性能要求的硅基光器件。通过逆设计方式得到的硅基光器件理论上可以拥有任意的尺寸和形状,使我们拥有了更多的操作光的方式。逆设计的方式对于硅基光器件的发展有着重要的里程碑意义,非常具有研究价值。论文致力于硅基光器件逆设计的关键技术的研究,主要研究内容如下:1.首先对逆设计数值计算部分应用到的高性能计算技术如GPU并行计算技术、MPI分布式消息传递技术等做了介绍和分析。并结合现有逆设计系统提出了算法上的优化,使用阻塞发送搭配非阻塞接收方式解决了海量传输数据量下逆设计计算中断问题。2.详细分析了逆设计中涉及到数学优化理论。首先,介绍了用于分布式求解大规模约束问题时的算法——交替方向乘子法。对其在逆设计中的应用进行了详细推导,并对该算法中交替优化两个变量的实现方式进行了清晰的阐述。对优化电磁场变量时使用的牛顿法进行了性能分析,提出并尝试了采用拟牛顿法来提高优化性能和效率。3.结合GPU并行处理的高性能计算特性设计编写了逆设计中求解器件电磁场的FDFD算法。首先推导了使用频域有限差分算法(FDFD)来求解三维空间内麦克斯韦方程组的过程,并针对求解过程中FDFD矩阵维度过大导致算法收敛过慢的问题使用CUDA编写了在GPU上迭代求解FDFD矩阵的程序。最后通过仿真测试对比了目前普遍使用的求解三维麦克斯韦方程组的时域有限差分算法(FDTD)。结果表明在相同的器件下,相比于FDTD算法,GPU加速的FDFD算法有着更快的电磁场计算速度。测试中当所使用的测试器件的网格点数量为3.2×106时,基于GPU加速的FDFD算法计算一次电磁场分布耗时仅为FDTD的十分之一;当器件网格点数增加时,基于GPU加速的FDFD算法在耗时方面的优势更加突出。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36
【图文】：

光场分布,器件仿真,光场分布,扫描电镜图

逡逑图１．邋１犹他大学研究组基于逆设计的偏振分束器。（ａ）器件结构及主要结构参数；（ｂ）邋ＴＥ模光场；逡逑（ｃ）邋ＴＭ模光场。逡逑最终使用这样的方式设计得到的偏振分束器耗时大约为１４０小时。其中从优化算逡逑法方面来讲，研究组使用的ＤＢＳ算法本质上是一种暴力搜索方法，即需要遍历设计区逡逑域的所有点，并且重复迭代多次这个过程已达到消除扰动的随机性，这就大大增加了逡逑计算次数。另外在每一次更改像素状态时都需要重新计算电磁场，在计算电磁场时，逡逑该研究组使用的是时域有限差分算法（ｆｉｎｉｔｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ，ＦＤＴＤ）。该算法对逡逑微分方程的收敛性有较高的要求，除此之外，在进行网格差分时，时域网格与空间网逡逑格之间的关系往往导致仿真结果存在额外引入的数值色散。并且ＦＤＴＤ在时域进行迭逡逑代运算的方式决定了其无法在计算上实现真正意义上的并行计算，只能凭借多台计算逡逑机组成集群或者多核计算机进行并行计算，需要消耗额外计算机资源，并且计算速度逡逑缓慢。除此之外

光场分布,逆设计,大学研究,偏振分束器

第二种逆设计方式是由斯坦福大学的纳米光子学研究组提出［１９］，该组利用逆设逡逑计的方法得到了邋１３００／１５００ｎｍ的解波分复用器（ｗａｖｅ邋ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ），其基于ＳＯＩ制作逡逑的器件扫描电镜图如图１．邋２所示。逡逑＿＿■■彳邋ｉ逡逑图１．２逦（ａ）器件扫描电镜图；（ｂ）器件仿真的光场分布。逡逑器件整体的耦合区域为２．８ｕｍｘ２．８ｕｍ的正方形，整体器件的刻蚀深度为２２０ｎｍ，逡逑４逡逑

电场强度分布,模场,器件结构,逆设计

在光波长１５３０－１５６０ｎｍ范围内，分光性能较好，总透射率皆大于８０％。北京邮电大学逡逑研究组借鉴斯坦福大学的逆设计方首次在绝缘体硅工艺上实现了邋Ｔ形结的功能［２４］，逡逑如图１．３所示，其中器件仿真空间格点尺寸为２０ｎｍ，格点数目为２００ｘ２００ｘ８０。器件逡逑实现了在光源波长为１５５０ｎｍ处两个输出端口的归一化功率比为５０．４％：４９．６％，插入损逡逑耗为邋０．５６ｄＢ。逡逑９邋？懤逡逑图１．３邋Ｔ型波导ＳＥＭ图（ａ）Ｔ型波导的器件结构（ｂ）电场强度分布及输出模场逡逑１．３逆设计中高性能计算逡逑硅基光器件逆设计的发展与近年来高性能算力的发展有着紧密的联系，高性能计逡逑算特别是基于ＧＰＵ的并行计算的普及为大数据量的计算提供了丰沃的土壤。当前高性逡逑能计算在科学研究、工程技术、以及军事技术方面取得了巨大的成就，其中异构计算逡逑模式效能优势明显，尤其是“主处理器＋协处理器”的异构计算形式已经成为高性能逡逑计算的发展趋势。主流的协处理器包括ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ邋Ｇａｔｅ邋Ａｒｒａｙ）［２５］，逡逑ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋Ｕｎｉｔ），ＡＰＵ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ邋Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋Ｕｎｉｔ）［２６］等，这些新型的协逡逑处理器为大规模的科学计算与工程模拟计算提供了巨大的便利。其中ＧＰＵ近些年来得逡逑到了越来越多的研究发展，其并行计算能力己经成为当前计算科学与应用技术的研究逡逑热点。逡逑在硅基光器件逆设计中

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