【摘要】：近年來,硅光子技術(shù)發(fā)展已較為成熟,基礎(chǔ)的硅波導(dǎo)器件已經(jīng)被深入研究,強大的設(shè)計套件對于光子集成電路至關(guān)重要,因此已經(jīng)建立了具有多樣性的片上光子功能元件庫。精細設(shè)計的集成光學(xué)設(shè)備通常來自對物理學(xué)的良好理解以及對幾個設(shè)備參數(shù)的直覺嘗試或多次調(diào)整。然而該設(shè)計原理是基于具有非常有限的參數(shù)空間的常規(guī)器件幾何結(jié)構(gòu),這種方法在實際中無法完全探索器件所擁有的全部屬性,以及完全發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體制造能力,本文針對這一現(xiàn)象,開展了對基于逆向設(shè)計應(yīng)用于光子集成電路的研究。數(shù)字元結(jié)構(gòu)是一種有吸引力的器件幾何結(jié)構(gòu),其將電介質(zhì)波導(dǎo)離散成具有二元或多級材料特性的多個像素。每個像素的材料屬性由直接二進制搜索(Direct binary search,DBS)算法確定。與傳統(tǒng)的周期性或光子帶隙結(jié)構(gòu)相比,這種人為的不均勻性允許在亞波長(Subwavelength,SW)尺度下更靈活的折射率工程�；贒BS方法,已有多種數(shù)字元器件的演示,如功率分配器具有靈活的比例,急彎,模多路復(fù)用器,超緊湊絕熱錐,光柵耦合器等等,雖然這種設(shè)計方法已經(jīng)顯示出許多新型納米光子器件的巨大潛力,但優(yōu)化的計算成本是一個大問題,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出色的預(yù)測和擬合能力,可以在一定條件下解決這個問題。本文選擇了超寬帶多模干涉耦合器(Multimode interference coupler,MMI)和衰減器作為設(shè)計的器件,分別采用傳統(tǒng)的基于數(shù)字超材料的像素點型優(yōu)化設(shè)計方法,其利用光學(xué)仿真軟件進行器件的優(yōu)化設(shè)計,和使用數(shù)字超材料與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的混合式系統(tǒng)的方法進行器件的優(yōu)化設(shè)計,以及使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆向優(yōu)化設(shè)計方法對目標器件進行設(shè)計的三種不同方法,分別對得到的結(jié)果進行分析對比。與已有的基于數(shù)字超材料的像素點型優(yōu)化設(shè)計方法相比,混合式系統(tǒng)設(shè)計方法和逆向設(shè)計方法在得到的結(jié)果與設(shè)計目標值相同或相近的情況下,縮短了設(shè)計所需的時間成本,我們通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的預(yù)測功能和模擬復(fù)雜輸入輸出關(guān)系的能力,加快了自動優(yōu)化設(shè)計中波導(dǎo)器件的開發(fā)周期,我們相信通過繼續(xù)改進人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,能將使預(yù)測的結(jié)果更加準確和預(yù)測范圍越加豐富。而且隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的持續(xù)改進還可以挖掘出器件的更多的特性,能實現(xiàn)一些傳統(tǒng)器件難以實現(xiàn)的性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN622;TP183
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文到器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種方法是逆向設(shè)計網(wǎng)絡(luò)[25-26]，這些網(wǎng)絡(luò)可以完成設(shè)計目標。.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計光子器件的正向設(shè)計方法2017 年，三棱重工提出了一種 2.6×2.6 μm2MMI 分束器，如圖 1-1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向設(shè)計方法，對納米光子結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款具有任意功于光子晶體超材料的 MMI 耦合器[27-28]，通過一組樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)逼近復(fù)雜的輸入輸出函數(shù)關(guān)系的性質(zhì)，結(jié)限差分法（Finite difference time domain method，F(xiàn)DTD）[29]技術(shù)加I 耦合器的設(shè)計過程，最終得到了圖 1-1 b)中的結(jié)構(gòu)和圖 1-1 c)中的值，證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光子器件設(shè)計中的可行性。

圖 1-2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型與仿真結(jié)果網(wǎng)絡(luò)設(shè)計光子器件的逆向設(shè)計方法了更加方便的設(shè)計光子器件，提出了一種可以面向用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆向設(shè)計方法，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的了一種逆向設(shè)計[36]的方案。如圖 1-3 所示，他們將通，樣本包括：結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳輸響應(yīng)，他們將由傳輸響應(yīng)為輸出的逆向網(wǎng)絡(luò)，和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入，傳輸響應(yīng)聯(lián)起來，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這樣通過中間層得到了數(shù)，在對這組參數(shù)進行驗證，即是完整的器件神經(jīng)網(wǎng)出的結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)驗證后得到的結(jié)果與真實值接近，證設(shè)計光子器件的可行性。

圖 1-2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型與仿真結(jié)果設(shè)計光子器件的逆向設(shè)計方法加方便的設(shè)計光子器件，提出了一種可以面網(wǎng)絡(luò)逆向設(shè)計方法，威斯康星大學(xué)麥迪遜分種逆向設(shè)計[36]的方案。如圖 1-3 所示，他們本包括：結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳輸響應(yīng)，他們將由傳出的逆向網(wǎng)絡(luò)，和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入，傳輸來，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這樣通過中間層得在對這組參數(shù)進行驗證，即是完整的器件神結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)驗證后得到的結(jié)果與真實值接近光子器件的可行性。

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