【摘要】：近年來,互聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的信息呈現(xiàn)出爆炸式增長,傳統(tǒng)的信息處理方法開始難以應對這日益增長的信息容量。隨著集成光子技術的發(fā)展,利用片上模式分復用技術(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,彎曲波導起到了重要的作用,其現(xiàn)在已被納入多家硅光子器件設計套件中。由于彎曲波導的存在,使得在設計集成光子系統(tǒng)時能夠進行靈活的布線,這樣會大大降低片上集成系統(tǒng)的占用面積,同時能夠提高系統(tǒng)的集成密度。本論文針對這一研究背景,提出了基于逆向設計的優(yōu)化方式來設計能夠支持多種模式傳輸?shù)膹澢▽�。在設計中選擇絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)作為器件設計的材料平臺,基于三維模型的時域差分法來進行設計過程的優(yōu)化步驟,在軟件中編寫優(yōu)化算法腳本并進行編譯運行。我們將波導的彎曲處進行離散化處理,形成一定數(shù)量的像素點,通過改變像素點的材料屬性進而來影響模式光在彎曲波導中的傳輸情況。優(yōu)化算法會通過不斷的迭代過程來確定每個像素點的材料屬性:硅或者空氣,從而使得模式光在彎曲波導中的傳輸效率達到最優(yōu)值。在經(jīng)過一定次數(shù)的優(yōu)化迭代后,得到了三種多模彎曲波導結構,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,其工作波長范圍為1535 nm至1565 nm。仿真結果表明,在整個工作帶寬內(nèi),三種彎曲波導的平均傳輸損耗均在1 dB左右,且相互間的模式串擾平均值小于-15 dB,仿真結果達到了設計時的指標。此外,在論文中詳細描述了在超凈實驗室內(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。通過不斷地調(diào)試器件的制備工藝,最終得到了質量較好的器件,并對其進行實驗測量。與此同時,在論文中詳細描述了實驗測量所用的光路的搭建以及測量時的注意事項。通過對每個器件進行波段掃描,并進行歸一化處理,得到了器件的測量數(shù)據(jù)。在制備工藝誤差允許的范圍內(nèi),實驗測量結果能夠與設計值較好地相吻合,這表明所制備出來的器件具有良好的性能,能夠滿足在片上使用的要求。用基于逆向設計方法所設計出來的這三種多模彎曲波導與已有文獻中所報道的彎曲波導相比,具有器件尺寸小、傳輸損耗低、支持模式數(shù)多以及制備工藝簡單等優(yōu)點,這些優(yōu)勢將會在很大程度上減小片上集成光子系統(tǒng)的占用面積,同時也將會在很大程度上提高片上光子系統(tǒng)的集成密度。
【圖文】：

優(yōu)化后彎曲波導結構

圖 1-2 算法優(yōu)化彎曲波導結構示意圖及傳輸電場圖[43] 2018 年，華中科技大學研究人員提出了將彎曲波導用方形e Interference, MMI)代替，再利用逆向設計算法在 MMI 結構兩個光場模式（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，且其設計
【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】：2019
【分類號】：TN252

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王宇明;用準對稱波導法測量薄膜參數(shù)[J];光學學報;1988年07期

2 田柏強,時振棟;邊緣周期加載Groove波導分析[J];通信學報;1988年06期

3 郭長志,黃永箴;非線性增益和波導結構對半導體激光器的譜線寬度的作用[J];物理學報;1989年05期

4 呂善偉,李陟,張超峰;對接波導的縫隙耦合特性[J];電子科學學刊;1989年03期

5 馮正和;用網(wǎng)絡-邊界元法求解波導內(nèi)任意不連續(xù)性問題[J];中國科學(A輯 數(shù)學 物理學 天文學 技術科學);1989年01期

6 李志全;安東陽;沙曉鵬;李文超;童凱;王志斌;;新型金屬-多層絕緣介質-金屬表面等離子波導結構的傳輸特性[J];發(fā)光學報;2014年09期

7 楊敏;環(huán)行器波導結構設計探討[J];火控雷達技術;2005年03期

8 潘中偉，劉成國，，郭麗;東南沿海波導結構的預報方法[J];電波科學學報;1996年03期

9 邢啟江,徐萬勁;由WNi金屬薄膜形成光彈波導結構的研究[J];量子電子學報;2000年05期

10 馬自龍;褚慶昕;;基于波導結構的緊湊型電介質加載雙極化天線研究[J];南京信息工程大學學報(自然科學版);2019年01期

相關會議論文 前10條

1 逯貴禎;洪楚雨;方超;;金屬條帶縫隙波導結構特性研究[A];2014年全國電磁兼容與防護技術學術會議論文集[C];2014年

2 蔣藝;陳洪斌;馬國武;雷文強;;共焦波導結構回旋行波管的設計與仿真[A];2011年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2011年

3 張新定;賴冬梅;翁寶龍;;波導結構中的幾何光傳輸(英文)[A];第十五屆全國量子光學學術報告會報告摘要集[C];2012年

4 谷曉梁;金曉林;李斌;;波導結構模式及色散特性的共形網(wǎng)格頻域有限差分研究[A];2016真空電子學分會第二十屆學術年會論文集（下）[C];2016年

5 陳獻;郝寅雷;楊建義;王明華;江曉清;;新型等離子波槽形波導結構[A];全國第十三次光纖通信暨第十四屆集成光學學術會議論文集[C];2007年

6 楊益林;張波;樊勇;;一種F波段寬頻帶波導魔T設計[A];2018年全國微波毫米波會議論文集(下冊)[C];2018年

7 張超;閻守國;張碧星;;三層板波導結構中缺陷的拓撲成像研究[A];中國聲學學會2017年全國聲學學術會議論文集[C];2017年

8 何柳;陳正;鐘興建;屈德新;;一種微帶波導過渡結構及其應用[A];2017年全國天線年會論文集（下冊）[C];2017年

9 關曉通;傅文杰;楊同斌;魯鈍;黃瑛;鄢揚;;雙共焦波導結構的二次諧波太赫茲回旋管設計[A];中國電子學會真空電子學分會第二十一屆學術年會論文集[C];2018年

10 周太富;周磊;;基于波導結構的W波段功率合成技術研究[A];2015年全國微波毫米波會議論文集[C];2015年

相關重要報紙文章 前1條

1 本報記者 杜鵑;創(chuàng)新要先行先試善行善試[N];山西日報;2014年

相關博士學位論文 前10條

1 張肖;縱向調(diào)制光波導和波導陣列中光傳輸?shù)恼{(diào)控[D];上海交通大學;2018年

2 相同;基于PPLN波導的光量子器件研究[D];上海交通大學;2018年

3 徐新標;新型集成光梯度力器件研究[D];華中科技大學;2018年

4 姚獻坤;非厄密波導中的光波傳輸特性研究[D];中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所);2017年

5 梁龍躍;基于周期極化鈮酸鋰波導的上轉換單光子探測器研究[D];山東大學;2019年

6 胡青;新型波導結構中的光傳輸[D];南京大學;2012年

7 牛力勇;波導結構表面等離子激光雙穩(wěn)態(tài)放大器的設計與應用研究[D];燕山大學;2014年

8 朱君;微納結構中表面等離子體激元的放大與傳播研究[D];燕山大學;2014年

9 劉濤;離子輻照光學材料制備可見光與紅外波導的特性研究[D];山東大學;2014年

10 劉飛;波導結構的特征頻率法及其超聲導波聲彈性效應研究[D];北京工業(yè)大學;2013年

相關碩士學位論文 前10條

1 王香婷;高速互連波導結構與傳輸特性研究[D];上海交通大學;2018年

2 劉德興;基于調(diào)制度標定的波導柵極結構信號讀出系統(tǒng)研究[D];長春理工大學;2019年

3 趙菲;表面等離子波導端耦合腔系統(tǒng)中散射特性的研究[D];延邊大學;2019年

4 張亞琦;基于嵌入式超構單元的波導模式轉換[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

5 謝虎成;基于數(shù)字超結構的多模彎曲波導的逆向設計與實現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

6 陳丹;采用“過載”技術的諧振式波導縫隙陣列天線寬帶設計及解耦結構探索[D];廈門大學;2018年

7 黃子文;硅基混合波導中超連續(xù)譜及頻率梳產(chǎn)生的研究[D];北京郵電大學;2019年

8 張川;復合結構布拉格波導的反常透射研究[D];哈爾濱工程大學;2019年

9 李東;基于波導型電阻微加熱器的片上光功率探測[D];上海交通大學;2017年

10 吳昱;手性表面等離子波導模式及衍生器件特性[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

本文編號：2609237