基于逆设计的微纳光子器件研究
发布时间：2022-01-05 23:45
随着集成光子电路的发展,光子器件逐渐向小型化与大规模集成的方向发展。硅基光子学的发展与绝缘体上硅工艺的成熟为大规模的光电集成创造了可能,逆设计方法作为机器学习应用于微纳光子器件设计领域的重要设计理论,在充分发挥现有制造工艺高精度刻蚀水平的同时,通过高效的智能算法实现器件结构的自动化设计,对于提高微纳光子器件的设计效率大有裨益。另一方面,随着集成规模的进一步提高,传统单层硅基芯片已经无法满足大规模微纳光子器件的集成需求。参考集成微电子学的发展历程,研究和发展3D集成光子电路是一种必然的趋势,对于大幅度提高集成光子电路的集成密度具有重要意义。同时,随着近年来对金属的表面等离子体激元效应和金属超表面技术的研究深入,金属材料越来越被广泛应用于微纳光子器件的设计中。将金属材料引入逆设计平台,对于进一步丰富现有逆设计平台的设计功能、提高传统金属超表面的设计效率具有重要意义。综上所述,论文围绕3D/多层结构逆设计平台与逆设计金属模型展开研究。论文的主要工作内容与成果如下:（1）在现有的2D平面结构设计的逆设计平台上,建立了3D/多层结构逆设计平台,并利用该平台提出并设计了一个3D集成光子电路中至关重...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１⑷可以看到波导的设计区域为２．４?ｐｍｘ?２．４坪ｎ的正方形区域，该??
计算平台上高效智能地实现了器件结构的自动化设计。相对于之前的偏振分束器??耗时１４０小时而言，这种优化方式设计效率却明显优于前者，且其处理的参数空??间远远大于直接二元搜索。效率的提升有两方面的原因，一是采用了一组高效的??凸优化算法?交替方向乘子法／最速下降法／水平集方法（ＡＤＭＭ／Ｓｔｅｅｐｅｓｔ??ｅｓｃｅｎｔ／Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔＭｅｔｈｏｄ），而不是遍历式的暴力搜索算法；另外更重要的是其计??电磁场分布的方式，与之前的逆设计方式使用商业仿真软件不同，这种逆设计??台自己编写了求解电磁场分布的频域有限差分算法模块，并根据算法的特点，??借助了高性能并行计算领域发展的最新成果。??首先，在电磁场求解算法方面，该平台使用了频域有限差分算法（ＦＤＦＤ），??优点在于可以并行，充分发挥ＧＰＵ高通量并行计算平台的算力，同时这是一??频域的算法，可以精确地定义材料的色散，不会出现时域有限差分算法（ＦＤＴＤ）??计算时由于空间网格和时域网格不匹配而导致数值色散问题，其缺点主要在于??法求解非线性问题，同时不利于处理复色光的多频问题。??综合以上比较可知，基于交替方向乘子法／最速下降法／水平集方法的逆设计??有明显的收敛速度快的优势，器件设计整体耗时非常低，是目前国外团队逆设??
大规模的光子集成电路势必带来波导重叠的问题，这也会很大程度上限制光??子器件的集成密度。要实现更大规模的集成，波导交叉连接器［１６＿圳这种光子器件??被设计出来，实现光路交叉时各路光信号的低串扰传输，如图１－４所示，其中基??于逆设计的孔洞型结构的交叉波导插入损耗可以达到０．１？０．３?ｄＢ?［１９】。但是这种??器件依然局限于单层光子电路，对比集成电子电路的发展历程，单层集成光子电??路的集成密度上限未来终会制约集成光子电路的发展，发展多层集成光子电路是??一种必然的趋势。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）?（ｄ）??？?｜｜；＞＜＊??图１－４基于不同设计方法的交叉波导［１６－２〇】（ａ）?ＭＭＷ型的９０度交叉波导（ｂ）孔洞型９０??度交叉波导（ｃ）ＭＭＷ型２０度交叉波导（ｄ）孔洞型多角度交叉波导??集成微电子学的发展过程中，３Ｄ集成电路３Ｄ－ＩＣ?（３Ｄ?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?Ｃｉｒｃｕｉｔ）技??术的出现使设计人员可以在垂直方向的几个片层上布置电子元件，这使集成电路??的集成规模达到了一个新高度，突破单层集成电路的集成密度极限，进一步的缩??小电子芯片的尺寸规格。为了实现更大规模的光电集成、更好地解决高密度集成??时传统单层集成光子电路波导重叠与信号串扰等问题，对比集成电子电路的发展??过程，发展３Ｄ集成光子电路是进一步提高光子芯片集成度的必然趋势。??如图１－５是一个基于３Ｄ集成光子电路的开关和传感模块多层系统Ｐ］
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于金属介电常数的讨论[J]. 邝向军. 四川理工学院学报(自然科学版). 2006(02)
硕士论文
[1]偏振相关硅光器件的研究[D]. 龚世杰.北京邮电大学 2018
[2]新型微纳光器件[D]. 孟冲.北京邮电大学 2017
[3]非晶硅薄膜热光特性理论与工艺研究[D]. 陈逢彬.电子科技大学 2015
[4]基于GPU的稀疏线性方程组求解及其应用[D]. 张志能.南昌大学 2013
本文编号：3571275
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１⑷可以看到波导的设计区域为２．４?ｐｍｘ?２．４坪ｎ的正方形区域，该??
计算平台上高效智能地实现了器件结构的自动化设计。相对于之前的偏振分束器??耗时１４０小时而言，这种优化方式设计效率却明显优于前者，且其处理的参数空??间远远大于直接二元搜索。效率的提升有两方面的原因，一是采用了一组高效的??凸优化算法?交替方向乘子法／最速下降法／水平集方法（ＡＤＭＭ／Ｓｔｅｅｐｅｓｔ??ｅｓｃｅｎｔ／Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔＭｅｔｈｏｄ），而不是遍历式的暴力搜索算法；另外更重要的是其计??电磁场分布的方式，与之前的逆设计方式使用商业仿真软件不同，这种逆设计??台自己编写了求解电磁场分布的频域有限差分算法模块，并根据算法的特点，??借助了高性能并行计算领域发展的最新成果。??首先，在电磁场求解算法方面，该平台使用了频域有限差分算法（ＦＤＦＤ），??优点在于可以并行，充分发挥ＧＰＵ高通量并行计算平台的算力，同时这是一??频域的算法，可以精确地定义材料的色散，不会出现时域有限差分算法（ＦＤＴＤ）??计算时由于空间网格和时域网格不匹配而导致数值色散问题，其缺点主要在于??法求解非线性问题，同时不利于处理复色光的多频问题。??综合以上比较可知，基于交替方向乘子法／最速下降法／水平集方法的逆设计??有明显的收敛速度快的优势，器件设计整体耗时非常低，是目前国外团队逆设??
大规模的光子集成电路势必带来波导重叠的问题，这也会很大程度上限制光??子器件的集成密度。要实现更大规模的集成，波导交叉连接器［１６＿圳这种光子器件??被设计出来，实现光路交叉时各路光信号的低串扰传输，如图１－４所示，其中基??于逆设计的孔洞型结构的交叉波导插入损耗可以达到０．１？０．３?ｄＢ?［１９】。但是这种??器件依然局限于单层光子电路，对比集成电子电路的发展历程，单层集成光子电??路的集成密度上限未来终会制约集成光子电路的发展，发展多层集成光子电路是??一种必然的趋势。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）?（ｄ）??？?｜｜；＞＜＊??图１－４基于不同设计方法的交叉波导［１６－２〇】（ａ）?ＭＭＷ型的９０度交叉波导（ｂ）孔洞型９０??度交叉波导（ｃ）ＭＭＷ型２０度交叉波导（ｄ）孔洞型多角度交叉波导??集成微电子学的发展过程中，３Ｄ集成电路３Ｄ－ＩＣ?（３Ｄ?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?Ｃｉｒｃｕｉｔ）技??术的出现使设计人员可以在垂直方向的几个片层上布置电子元件，这使集成电路??的集成规模达到了一个新高度，突破单层集成电路的集成密度极限，进一步的缩??小电子芯片的尺寸规格。为了实现更大规模的光电集成、更好地解决高密度集成??时传统单层集成光子电路波导重叠与信号串扰等问题，对比集成电子电路的发展??过程，发展３Ｄ集成光子电路是进一步提高光子芯片集成度的必然趋势。??如图１－５是一个基于３Ｄ集成光子电路的开关和传感模块多层系统Ｐ］
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于金属介电常数的讨论[J]. 邝向军. 四川理工学院学报(自然科学版). 2006(02)
硕士论文
[1]偏振相关硅光器件的研究[D]. 龚世杰.北京邮电大学 2018
[2]新型微纳光器件[D]. 孟冲.北京邮电大学 2017
[3]非晶硅薄膜热光特性理论与工艺研究[D]. 陈逢彬.电子科技大学 2015
[4]基于GPU的稀疏线性方程组求解及其应用[D]. 张志能.南昌大学 2013
本文编号：3571275
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