【摘要】：近年來(lái),互聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的信息呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng),傳統(tǒng)的信息處理方法開(kāi)始難以應(yīng)對(duì)這日益增長(zhǎng)的信息容量。隨著集成光子技術(shù)的發(fā)展,利用片上模式分復(fù)用技術(shù)(Mode Division and Multiplexing,MDM)在同一傳輸信道中以多種傳輸模式光為載體進(jìn)行信息傳輸,從而大大地提高了信息傳輸容量,為解決這一難題提供了希望。而在片上MDM系統(tǒng)中,彎曲波導(dǎo)起到了重要的作用,其現(xiàn)在已被納入多家硅光子器件設(shè)計(jì)套件中。由于彎曲波導(dǎo)的存在,使得在設(shè)計(jì)集成光子系統(tǒng)時(shí)能夠進(jìn)行靈活的布線,這樣會(huì)大大降低片上集成系統(tǒng)的占用面積,同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的集成密度。本論文針對(duì)這一研究背景,提出了基于逆向設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式來(lái)設(shè)計(jì)能夠支持多種模式傳輸?shù)膹澢▽?dǎo)。在設(shè)計(jì)中選擇絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)作為器件設(shè)計(jì)的材料平臺(tái),基于三維模型的時(shí)域差分法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化步驟,在軟件中編寫(xiě)優(yōu)化算法腳本并進(jìn)行編譯運(yùn)行。我們將波導(dǎo)的彎曲處進(jìn)行離散化處理,形成一定數(shù)量的像素點(diǎn),通過(guò)改變像素點(diǎn)的材料屬性進(jìn)而來(lái)影響模式光在彎曲波導(dǎo)中的傳輸情況。優(yōu)化算法會(huì)通過(guò)不斷的迭代過(guò)程來(lái)確定每個(gè)像素點(diǎn)的材料屬性:硅或者空氣,從而使得模式光在彎曲波導(dǎo)中的傳輸效率達(dá)到最優(yōu)值。在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的優(yōu)化迭代后,得到了三種多模彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu),其分別能支持兩種模式光(TE_0、TE_1)、三種模式光(TE_0,TE_1,TE_2)以及四種模式光(TE_0,TE_1,TE_2,TE_3)低損耗傳輸,其工作波長(zhǎng)范圍為1535 nm至1565 nm。仿真結(jié)果表明,在整個(gè)工作帶寬內(nèi),三種彎曲波導(dǎo)的平均傳輸損耗均在1 dB左右,且相互間的模式串?dāng)_平均值小于-15 dB,仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)。此外,在論文中詳細(xì)描述了在超凈實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備硅光器件的工藝流程:切片、洗片、勻膠、電子束曝光(Electron Beam Lithography,EBL)、顯影、定影、反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)、氧離子去膠以及在顯微鏡下檢查等步驟。通過(guò)不斷地調(diào)試器件的制備工藝,最終得到了質(zhì)量較好的器件,并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。與此同時(shí),在論文中詳細(xì)描述了實(shí)驗(yàn)測(cè)量所用的光路的搭建以及測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)。通過(guò)對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行波段掃描,并進(jìn)行歸一化處理,得到了器件的測(cè)量數(shù)據(jù)。在制備工藝誤差允許的范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果能夠與設(shè)計(jì)值較好地相吻合,這表明所制備出來(lái)的器件具有良好的性能,能夠滿足在片上使用的要求。用基于逆向設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)出來(lái)的這三種多模彎曲波導(dǎo)與已有文獻(xiàn)中所報(bào)道的彎曲波導(dǎo)相比,具有器件尺寸小、傳輸損耗低、支持模式數(shù)多以及制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)勢(shì)將會(huì)在很大程度上減小片上集成光子系統(tǒng)的占用面積,同時(shí)也將會(huì)在很大程度上提高片上光子系統(tǒng)的集成密度。
【圖文】：

優(yōu)化后彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

圖 1-2 算法優(yōu)化彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖及傳輸電場(chǎng)圖[43] 2018 年，華中科技大學(xué)研究人員提出了將彎曲波導(dǎo)用方形e Interference, MMI)代替，再利用逆向設(shè)計(jì)算法在 MMI 結(jié)構(gòu)兩個(gè)光場(chǎng)模式（TE0，TE1）的低損耗傳輸[42]，如圖 1-3 所示徑為 3.6 μm，兩種模式的傳輸損耗均低于 1 dB，且其設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN252

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本文編號(hào)：2609237