【摘要】：硅基光子集成芯片的研究近年來發(fā)展迅速,已成為信息技術(shù)領(lǐng)域中最熱門的研究方向之一。在硅基光子集成芯片中,光柵耦合器作為光信號(hào)的輸入和輸出的基本器件受到極大重視,其性能的高低直接影響整個(gè)芯片的性能。本文以硅基波導(dǎo)光柵耦合器為研究對(duì)象,結(jié)合粒子群算法和FDTD數(shù)值仿真算法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,并針對(duì)粒子群算法在處理多參數(shù)復(fù)雜問題時(shí)易陷入局部收斂的特性,提出了基于混沌拓?fù)浜途植孔顑?yōu)解變異的混沌粒子群算法,并運(yùn)用于優(yōu)化硅基波導(dǎo)光柵耦合器的性能,取得了良好的問題解決效果。本文按照以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹:首先,對(duì)硅基波導(dǎo)光柵耦合器進(jìn)行FDTD數(shù)值仿真建模,運(yùn)用控制變量法逐個(gè)研究光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(占空比、周期、刻蝕深度)與耦合效率之間的特征關(guān)系,并畫出二者之間的特征曲線。之后運(yùn)用粒子群算法對(duì)波導(dǎo)光柵耦合器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,通過算法迭代后耦合效率最優(yōu)值為22%,對(duì)應(yīng)所取得的參數(shù)值與特征曲線極值點(diǎn)相符,驗(yàn)證了該算法解決這類問題有效性。其次,分析了限制均勻光柵耦合效率的因素,并提出運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法對(duì)非均勻周期光柵進(jìn)行光場(chǎng)整形,耦合效率提升至45%。普通粒子群優(yōu)化算法在處理復(fù)雜的尋優(yōu)問題時(shí),由于種群多樣性喪失、易陷入局部最優(yōu),會(huì)導(dǎo)致后期收斂速度減慢,優(yōu)化精度下降。針對(duì)此問題,本文提出了基于混沌拓?fù)浜途植孔顑?yōu)解變異的混沌粒子群算法,并應(yīng)用改進(jìn)算法來優(yōu)化非均勻波導(dǎo)光柵耦合器,結(jié)果顯示同等代數(shù)下尋優(yōu)耦合效率達(dá)到48%,而且收斂速度更快。最后,運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以入射光波長,占空比,周期,刻蝕深度參數(shù)作為輸入,以FDTD數(shù)值仿真計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的耦合效率作為輸出,建立了 4-9-1的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。訓(xùn)練結(jié)果顯示訓(xùn)練樣本相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99883,均方誤差只有0.089217%,訓(xùn)練精度滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)光柵耦合器的耦合效率預(yù)測(cè)要求。之后用測(cè)試樣本進(jìn)行模型檢驗(yàn),得到與仿真結(jié)果絕對(duì)誤差較小的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),從而為器件設(shè)計(jì)提供了一種新方法。綜上所述,本文主要的創(chuàng)新性體現(xiàn)在針對(duì)非均勻波導(dǎo)光柵耦合器優(yōu)化問題,將粒子群算法基于混沌拓?fù)浜途植孔顑?yōu)解變異算法進(jìn)行改進(jìn),提升了算法的收斂速度和尋優(yōu)能力;同時(shí)對(duì)于波長不同的光柵耦合器運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行耦合效率預(yù)測(cè),依托于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)到未知結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合效率,縮短了仿真過程,提高了工作效率。
【圖文】：

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文定在千篇以上，可以看出光柵理論研宄到２１世紀(jì)已經(jīng)非常成熟。圖１－２－２是中關(guān)于波導(dǎo)光柵研宄文章的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，近幾年的文章發(fā)表數(shù)目仍然僅有幾十以看出相關(guān)研宄還處于起步發(fā)展階段。尤其在國內(nèi)，因?yàn)楣杌庾訉W(xué)這種納光學(xué)的研宄還比較落后，作為光子無源器件群的核心器件之一，，硅基波導(dǎo)光合器在集成光子學(xué)中仍需研究與發(fā)展。逡逑

圖１－２－２波導(dǎo)光柵耦合器研宄文章數(shù)目統(tǒng)計(jì)逡逑波導(dǎo)光柵與普通光柵的結(jié)構(gòu)并無明顯不同，但是要在硅波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)與組合，工藝技術(shù)精度要求極高，一直限制了器件發(fā)展。直到１９７公司Ｗ通過使用雙光路平行光束全息曝光技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了硅基波導(dǎo)志著波導(dǎo)光柵耦合器的誕生，通過這么多年的研宄發(fā)展，在波導(dǎo)光制備工藝上更為成熟，從而使得耦合效率不斷得到提升。在國內(nèi)波
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN252;TP18

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本文編號(hào)：2692449