【摘要】：以信息技術為主體的信息革命浪潮推動著21世紀正式進入信息化時代,受寄生電容、寄生電阻等限制的傳統集成電路已不能滿足當前快速增長的通信容量的需求,大帶寬、高速率、低能耗、低延遲、小尺寸的片上集成光路越來越多的受到研究者的關注。隨著光芯片集成密度的增加,芯片上的器件數量和線路復雜度也成指數式增長。為進一步提高集成密度,本文提出了兩個可行的思路:減小器件尺寸和增加集成維度,即逆向設計的超小型硅基器件和三維光子集成。主要工作概括如下:(1)介紹了硅基光子學、逆向設計的納米光子學器件以及三維光子集成的研究現狀和意義,并對耦合模理論和幾種優(yōu)化算法的理論模型進行了分析,為后續(xù)的硅基無源器件的逆向設計和三維光交叉連接器的設計奠定基礎。(2)分別采用粒子群算法、有約束最小化函數和直接二元搜索算法逆向設計了任意比例功分器、偏振不敏感功分器和高階模式濾波器,在超小尺寸內實現低損耗、大帶寬的高性能硅基無源器件。所設計的任意比例功分器在中心波長1550 nm處,損耗低于0.29 dB,功率分配比例誤差低于0.05;對于偏振不敏感功分器,其在1550 nm處損耗低于0.35 dB,器件透過率不均衡性低于0.06%;TE1的定向耦合型模式濾波器,在1550 nm處損耗僅為0.18 dB,串擾則低于-27 dB。此外,也綜合使用直接二元搜索算法和有約束最小化函數設計了模式雜化器,結合兩種算法各自的優(yōu)點,所設計器件在1550 nm處損耗低于0.49 dB,器件透過率不均衡性低于0.6%。(3)基于SiN-on-SOI平臺設計了三維光交叉連接器,包括反向倒錐垂直耦合器和亞波長光柵波導三維交叉結構。通過優(yōu)化結構參數,實現了在1500-1600 nm波長范圍內器件理論損耗低于0.14 dB。(4)詳細討論了制備硅基二維平面器件和三維器件所需的工藝流程,并實驗制作了定向耦合型模式濾波器和三維光交叉連接器。測試結果表明,TE1模式濾波器在1550 nm處損耗約為0.7 dB,串擾低于-16 dB;三維光交叉連接器在1550-1600 nm波長范圍內層間垂直耦合損耗低于0.76 dB,波導交叉處串擾低于-30 dB。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN256
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文1 緒論1.1 引言以信息技術為主體的信息革命浪潮推動著 21 世紀正式進入信息化時代，尤其是大數據、人工智能等新興產業(yè)的飛速發(fā)展更是離不開信息化的參與。信息生產力是當今先進生產力的表現之一，而這也高度依賴著大量數據的產生、傳輸、分析和處理。如圖 1-1(a)所示，2016 年全球數據量已達到 51 艾字節(jié)(1 EB = 260Byte)，且預計到2021 年數據量將再增加 5 倍[1]。愈加龐大的數據量，以及人們對數據傳輸和處理能力的需求的增加，都對網絡通信容量提出了更高的要求。高速率、大帶寬、高效率的通信互聯技術是未來的主要發(fā)展趨勢。

“直接設計法”已經得到了長期的成功案例驗證，但是，隨著大帶寬、多頻段、非線性、密集集成的納米光子學器件的發(fā)展，繼續(xù)使用“直接設計法”的復雜性和困難度會越來越高。為了解決傳統設計方法在日漸復雜的光子學器件設計中所遇到的困難，逆向設計的方案被提出，其基本原理如圖 1-3 所示。傳統的直接設計法是根據設計目標，基于已有知識，從已知模型庫中選擇若干模型進行組裝，使之大致滿足設計需求，再進一步根據器件結構和材料，從麥克斯韋方程出發(fā)計算器件頻譜等特性，調節(jié)少量的模型特征參數，使結果與設計目標更匹配。而逆向設計則是直接從目標出發(fā)，用一個目標函數來衡量器件性能與設計目標的匹配程度，在保證器件滿足麥克斯韋方程的前提下，調節(jié)優(yōu)化區(qū)域結構參數和材料參數，例如打孔或優(yōu)化拓撲邊界，使目標函數得到極值。因為逆向設計不再局限于已知的模型庫中，所以可調節(jié)參數會更多甚至是無數個，設計更加靈活方便。該方法除了可用于功能復雜器件，在一些傳統器件上也有很多應用。一般情況下，設計的器件尺寸也會比傳統設計方案設計的尺寸小很多。

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本文編號：2721003