【摘要】：以信息技術(shù)為主體的信息革命浪潮推動著21世紀(jì)正式進(jìn)入信息化時代,受寄生電容、寄生電阻等限制的傳統(tǒng)集成電路已不能滿足當(dāng)前快速增長的通信容量的需求,大帶寬、高速率、低能耗、低延遲、小尺寸的片上集成光路越來越多的受到研究者的關(guān)注。隨著光芯片集成密度的增加,芯片上的器件數(shù)量和線路復(fù)雜度也成指數(shù)式增長。為進(jìn)一步提高集成密度,本文提出了兩個可行的思路:減小器件尺寸和增加集成維度,即逆向設(shè)計(jì)的超小型硅基器件和三維光子集成。主要工作概括如下:(1)介紹了硅基光子學(xué)、逆向設(shè)計(jì)的納米光子學(xué)器件以及三維光子集成的研究現(xiàn)狀和意義,并對耦合模理論和幾種優(yōu)化算法的理論模型進(jìn)行了分析,為后續(xù)的硅基無源器件的逆向設(shè)計(jì)和三維光交叉連接器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。(2)分別采用粒子群算法、有約束最小化函數(shù)和直接二元搜索算法逆向設(shè)計(jì)了任意比例功分器、偏振不敏感功分器和高階模式濾波器,在超小尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)低損耗、大帶寬的高性能硅基無源器件。所設(shè)計(jì)的任意比例功分器在中心波長1550 nm處,損耗低于0.29 dB,功率分配比例誤差低于0.05;對于偏振不敏感功分器,其在1550 nm處損耗低于0.35 dB,器件透過率不均衡性低于0.06%;TE1的定向耦合型模式濾波器,在1550 nm處損耗僅為0.18 dB,串?dāng)_則低于-27 dB。此外,也綜合使用直接二元搜索算法和有約束最小化函數(shù)設(shè)計(jì)了模式雜化器,結(jié)合兩種算法各自的優(yōu)點(diǎn),所設(shè)計(jì)器件在1550 nm處損耗低于0.49 dB,器件透過率不均衡性低于0.6%。(3)基于SiN-on-SOI平臺設(shè)計(jì)了三維光交叉連接器,包括反向倒錐垂直耦合器和亞波長光柵波導(dǎo)三維交叉結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了在1500-1600 nm波長范圍內(nèi)器件理論損耗低于0.14 dB。(4)詳細(xì)討論了制備硅基二維平面器件和三維器件所需的工藝流程,并實(shí)驗(yàn)制作了定向耦合型模式濾波器和三維光交叉連接器。測試結(jié)果表明,TE1模式濾波器在1550 nm處損耗約為0.7 dB,串?dāng)_低于-16 dB;三維光交叉連接器在1550-1600 nm波長范圍內(nèi)層間垂直耦合損耗低于0.76 dB,波導(dǎo)交叉處串?dāng)_低于-30 dB。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN256
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1 緒論1.1 引言以信息技術(shù)為主體的信息革命浪潮推動著 21 世紀(jì)正式進(jìn)入信息化時代，尤其是大數(shù)據(jù)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展更是離不開信息化的參與。信息生產(chǎn)力是當(dāng)今先進(jìn)生產(chǎn)力的表現(xiàn)之一，而這也高度依賴著大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸、分析和處理。如圖 1-1(a)所示，2016 年全球數(shù)據(jù)量已達(dá)到 51 艾字節(jié)(1 EB = 260Byte)，且預(yù)計(jì)到2021 年數(shù)據(jù)量將再增加 5 倍[1]。愈加龐大的數(shù)據(jù)量，以及人們對數(shù)據(jù)傳輸和處理能力的需求的增加，都對網(wǎng)絡(luò)通信容量提出了更高的要求。高速率、大帶寬、高效率的通信互聯(lián)技術(shù)是未來的主要發(fā)展趨勢。

“直接設(shè)計(jì)法”已經(jīng)得到了長期的成功案例驗(yàn)證，但是，隨著大帶寬、多頻段、非線性、密集集成的納米光子學(xué)器件的發(fā)展，繼續(xù)使用“直接設(shè)計(jì)法”的復(fù)雜性和困難度會越來越高。為了解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在日漸復(fù)雜的光子學(xué)器件設(shè)計(jì)中所遇到的困難，逆向設(shè)計(jì)的方案被提出，其基本原理如圖 1-3 所示。傳統(tǒng)的直接設(shè)計(jì)法是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于已有知識，從已知模型庫中選擇若干模型進(jìn)行組裝，使之大致滿足設(shè)計(jì)需求，再進(jìn)一步根據(jù)器件結(jié)構(gòu)和材料，從麥克斯韋方程出發(fā)計(jì)算器件頻譜等特性，調(diào)節(jié)少量的模型特征參數(shù)，使結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)更匹配。而逆向設(shè)計(jì)則是直接從目標(biāo)出發(fā)，用一個目標(biāo)函數(shù)來衡量器件性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)的匹配程度，在保證器件滿足麥克斯韋方程的前提下，調(diào)節(jié)優(yōu)化區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，例如打孔或優(yōu)化拓?fù)溥吔�，使目�?biāo)函數(shù)得到極值。因?yàn)槟嫦蛟O(shè)計(jì)不再局限于已知的模型庫中，所以可調(diào)節(jié)參數(shù)會更多甚至是無數(shù)個，設(shè)計(jì)更加靈活方便。該方法除了可用于功能復(fù)雜器件，在一些傳統(tǒng)器件上也有很多應(yīng)用。一般情況下，設(shè)計(jì)的器件尺寸也會比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的尺寸小很多。

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本文編號：2721003