隨著集成光子電路的發(fā)展,光子器件逐漸向小型化與大規(guī)模集成的方向發(fā)展。硅基光子學(xué)的發(fā)展與絕緣體上硅工藝的成熟為大規(guī)模的光電集成創(chuàng)造了可能,逆設(shè)計方法作為機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于微納光子器件設(shè)計領(lǐng)域的重要設(shè)計理論,在充分發(fā)揮現(xiàn)有制造工藝高精度刻蝕水平的同時,通過高效的智能算法實現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計,對于提高微納光子器件的設(shè)計效率大有裨益。另一方面,隨著集成規(guī)模的進(jìn)一步提高,傳統(tǒng)單層硅基芯片已經(jīng)無法滿足大規(guī)模微納光子器件的集成需求。參考集成微電子學(xué)的發(fā)展歷程,研究和發(fā)展3D集成光子電路是一種必然的趨勢,對于大幅度提高集成光子電路的集成密度具有重要意義。同時,隨著近年來對金屬的表面等離子體激元效應(yīng)和金屬超表面技術(shù)的研究深入,金屬材料越來越被廣泛應(yīng)用于微納光子器件的設(shè)計中。將金屬材料引入逆設(shè)計平臺,對于進(jìn)一步豐富現(xiàn)有逆設(shè)計平臺的設(shè)計功能、提高傳統(tǒng)金屬超表面的設(shè)計效率具有重要意義。綜上所述,論文圍繞3D/多層結(jié)構(gòu)逆設(shè)計平臺與逆設(shè)計金屬模型展開研究。論文的主要工作內(nèi)容與成果如下:（1）在現(xiàn)有的2D平面結(jié)構(gòu)設(shè)計的逆設(shè)計平臺上,建立了3D/多層結(jié)構(gòu)逆設(shè)計平臺,并利用該平臺提出并設(shè)計了一個3D集成光子電路中至關(guān)重... 

【文章來源】：北京郵電大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１⑷可以看到波導(dǎo)的設(shè)計區(qū)域為２．４?ｐｍｘ?２．４坪ｎ的正方形區(qū)域，該??

計算平臺上高效智能地實現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計。相對于之前的偏振分束器??耗時１４０小時而言，這種優(yōu)化方式設(shè)計效率卻明顯優(yōu)于前者，且其處理的參數(shù)空??間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接二元搜索。效率的提升有兩方面的原因，一是采用了一組高效的??凸優(yōu)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），而不是遍歷式的暴力搜索算法；另外更重要的是其計??電磁場分布的方式，與之前的逆設(shè)計方式使用商業(yè)仿真軟件不同，這種逆設(shè)計??臺自己編寫了求解電磁場分布的頻域有限差分算法模塊，并根據(jù)算法的特點，??借助了高性能并行計算領(lǐng)域發(fā)展的最新成果。??首先，在電磁場求解算法方面，該平臺使用了頻域有限差分算法（ＦＤＦＤ），??優(yōu)點在于可以并行，充分發(fā)揮ＧＰＵ高通量并行計算平臺的算力，同時這是一??頻域的算法，可以精確地定義材料的色散，不會出現(xiàn)時域有限差分算法（ＦＤＴＤ）??計算時由于空間網(wǎng)格和時域網(wǎng)格不匹配而導(dǎo)致數(shù)值色散問題，其缺點主要在于??法求解非線性問題，同時不利于處理復(fù)色光的多頻問題。??綜合以上比較可知，基于交替方向乘子法／最速下降法／水平集方法的逆設(shè)計??有明顯的收斂速度快的優(yōu)勢，器件設(shè)計整體耗時非常低，是目前國外團(tuán)隊逆設(shè)??

大規(guī)模的光子集成電路勢必帶來波導(dǎo)重疊的問題，這也會很大程度上限制光??子器件的集成密度。要實現(xiàn)更大規(guī)模的集成，波導(dǎo)交叉連接器［１６＿圳這種光子器件??被設(shè)計出來，實現(xiàn)光路交叉時各路光信號的低串?dāng)_傳輸，如圖１－４所示，其中基??于逆設(shè)計的孔洞型結(jié)構(gòu)的交叉波導(dǎo)插入損耗可以達(dá)到０．１？０．３?ｄＢ?［１９】。但是這種??器件依然局限于單層光子電路，對比集成電子電路的發(fā)展歷程，單層集成光子電??路的集成密度上限未來終會制約集成光子電路的發(fā)展，發(fā)展多層集成光子電路是??一種必然的趨勢。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）?（ｄ）??？?｜｜；＞＜＊??圖１－４基于不同設(shè)計方法的交叉波導(dǎo)［１６－２〇】（ａ）?ＭＭＷ型的９０度交叉波導(dǎo)（ｂ）孔洞型９０??度交叉波導(dǎo)（ｃ）ＭＭＷ型２０度交叉波導(dǎo)（ｄ）孔洞型多角度交叉波導(dǎo)??集成微電子學(xué)的發(fā)展過程中，３Ｄ集成電路３Ｄ－ＩＣ?（３Ｄ?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?Ｃｉｒｃｕｉｔ）技??術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)計人員可以在垂直方向的幾個片層上布置電子元件，這使集成電路??的集成規(guī)模達(dá)到了一個新高度，突破單層集成電路的集成密度極限，進(jìn)一步的縮??小電子芯片的尺寸規(guī)格。為了實現(xiàn)更大規(guī)模的光電集成、更好地解決高密度集成??時傳統(tǒng)單層集成光子電路波導(dǎo)重疊與信號串?dāng)_等問題，對比集成電子電路的發(fā)展??過程，發(fā)展３Ｄ集成光子電路是進(jìn)一步提高光子芯片集成度的必然趨勢。??如圖１－５是一個基于３Ｄ集成光子電路的開關(guān)和傳感模塊多層系統(tǒng)Ｐ］

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]關(guān)于金屬介電常數(shù)的討論[J]. 鄺向軍.  四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版). 2006(02)

碩士論文
[1]偏振相關(guān)硅光器件的研究[D]. 龔世杰.北京郵電大學(xué) 2018
[2]新型微納光器件[D]. 孟沖.北京郵電大學(xué) 2017
[3]非晶硅薄膜熱光特性理論與工藝研究[D]. 陳逢彬.電子科技大學(xué) 2015
[4]基于GPU的稀疏線性方程組求解及其應(yīng)用[D]. 張志能.南昌大學(xué) 2013



本文編號：3571275