【摘要】：近年來,硅光子技術發(fā)展已較為成熟,基礎的硅波導器件已經被深入研究,其體積和性能也趨于穩(wěn)定,這樣限制了硅光子器件的集成度。隨著光互聯(lián)和光通信的飛速發(fā)展,硅光子學中每單位芯片面積的數(shù)據吞吐量和功能的縮放驅動需要具有更密集布局的大規(guī)模集成光子芯片。彎曲波導和錐形波導是集成光學器件和系統(tǒng)中最常用的構件。彎曲波導已被納入許多硅光子多項目晶圓(MPW)設計套件中,具有亞微米截面的硅光子波導已被廣泛用于片上互連和功能光子集成電路(PIC)。本文針對PIC的高集成度這一需求,展開了超小尺寸的彎曲波導和錐形波導等硅波導器件的優(yōu)化設計。針對硅波導器件高性能和小尺寸等要求,本文提出一種基于數(shù)字超結構的硅波導器件設計方案。我們實現(xiàn)了一種任意固定衰減值的超緊湊衰減器,進行超小半徑彎曲波導的優(yōu)化設計以及優(yōu)化了數(shù)字超結構的錐形波導,還展示了錐形優(yōu)化結構與光柵配合形成耦合器的應用。并且將其與聚焦型和線性錐形光柵耦合器比較,證明其可行性。所有硅波導器件遵循相同的設計、制備和測量過程:根據設計要求將硅波導器件建模仿真,將優(yōu)化區(qū)域均勻劃分為正方形子單元,每個子單元具有兩種材料屬性。不同屬性的子單元排列可以獲得不同的器件性能,使用逆向優(yōu)化算法可以自動設計出實現(xiàn)目標性能所需要的子單元排列�；谶@種優(yōu)化的數(shù)字超結構,使用三維有限時域差分(3D FDTD)方法模擬得到其光場分布和傳輸效率來觀察和對比優(yōu)化效果。依照設計結構,進行實驗制備獲得樣品,遵循半導體工藝流程依次完成切片、洗片、勻膠、電子束曝光(EBL)、顯影定影、電感耦合等離子體刻蝕(ICP)和氧離子去膠的過程,之后還要通過電鏡掃描確認制備樣品的結構和尺寸。在測試實驗中,搭建光纖-片上耦合測試平臺,并對制備的每個器件進行精確地測量,需要對高傳輸效率的優(yōu)化結構進行級聯(lián)制備以減小測量誤差,對測量數(shù)據進行歸一化處理得到實驗效率,與仿真數(shù)據相互比較。并且對器件的性能和魯棒性進行分析和對比。文中所有硅波導器件都是為C波段和TE模式設計的。設計方法和結構也允許TM模式和其他光譜波段。與目前已報道的同類型器件相比,本文展示的硅波導器件在性能達到很高的同時,其結構尺寸最小,并且都進行樣品制備,實驗性能與仿真一致,具有較好的魯棒性。這突破了傳統(tǒng)硅波導器件的尺寸限制,在集成光學器件和系統(tǒng)中具有潛在的應用價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN252
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文這種拓撲型優(yōu)化結構是任意的，因此優(yōu)化效果較好。但是由于其優(yōu)化像素多，因此對計算機的硬件性能有很高的要求，且設計的器件結構不規(guī)則，最小寸往往超出光刻分辨率，因此在制備時要對設計結構進行額外修正，這樣導致備的樣品性能很難達到設計目標，且器件的魯棒性也較差。因此，硅波導器件拓撲型優(yōu)化研究較小，因為很難達到制備要求。（2）像素點型優(yōu)化的研究像素點型的優(yōu)化是以規(guī)則圖形為子單元進行設計，其子單元一般為方形或圓形。2015 年，猶他大學的 Bing Shen 在 Nature Photonics 發(fā)表文章，首次提出方形像素點型的逆向自動優(yōu)化方法并以此設計和制備出一種超小尺寸的硅基偏分束器[34]。器件尺寸僅為 2.4×2.4 μm2，是目前為止有報道的最小偏振分束器。件的工作帶寬 32 nm，傳輸效率 70%以上，消光比 10 dB。其像素點的尺寸120×120 nm2，這是很容易實現(xiàn)更重要的是，通過仿真發(fā)現(xiàn)這種方形像素點型的化設計有較好魯棒性，能容忍較高（±20 nm）的工藝誤差。這種方形像素點型逆向設計在目前報道中應用最多的。

圖 2-3 圓形像素點型模式（解）復用器優(yōu)化結構圖 2-4 半圓環(huán)像素點型旋光發(fā)生器優(yōu)化結構1.2.2 不同優(yōu)化算法的研究發(fā)展目前硅波導器件逆向優(yōu)化的研究中，優(yōu)化算法的開發(fā)也是一個熱點。器件能夠實現(xiàn)自動優(yōu)化，那么自動優(yōu)化的器件性能和優(yōu)化時間就是一個可以相互比較和更新的方面。而決定這個方面的關鍵因素就是優(yōu)化算法的選擇和應用。優(yōu)化算法

再將每個圓環(huán)劃分為若干像素點進行優(yōu)化，設計了一個將平面波導光轉化為空間漩渦光的旋光發(fā)生器[36]，如圖2-4 所示。隨著研究的拓展，面對不同的優(yōu)化結構，可以選擇合適的像素點對優(yōu)化區(qū)域進行劃分，但總體來說，對于片上的平面結構來說，方形像素點是最常用的優(yōu)化方式，這樣可以充分利用設計區(qū)域。

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 武繼江;石邦任;孔梅;;Exponentially tapered multi-mode interference couplers[J];Chinese Optics Letters;2006年03期

相關博士學位論文 前2條

1 熊霄;量子集成光學芯片上的器件設計[D];中國科學技術大學;2017年

2 邱暉曄;基于波導光柵的硅基集成光器件研究[D];浙江大學;2014年

本文編號：2775858