【摘要】：近年來(lái),硅光子技術(shù)發(fā)展已較為成熟,基礎(chǔ)的硅波導(dǎo)器件已經(jīng)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(xué)中每單位芯片面積的數(shù)據(jù)吞吐量和功能的縮放驅(qū)動(dòng)需要具有更密集布局的大規(guī)模集成光子芯片。彎曲波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)是集成光學(xué)器件和系統(tǒng)中最常用的構(gòu)件。彎曲波導(dǎo)已被納入許多硅光子多項(xiàng)目晶圓(MPW)設(shè)計(jì)套件中,具有亞微米截面的硅光子波導(dǎo)已被廣泛用于片上互連和功能光子集成電路(PIC)。本文針對(duì)PIC的高集成度這一需求,展開(kāi)了超小尺寸的彎曲波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)等硅波導(dǎo)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)硅波導(dǎo)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(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)器件設(shè)計(jì)方案。我們實(shí)現(xiàn)了一種任意固定衰減值的超緊湊衰減器,進(jìn)行超小半徑彎曲波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化了數(shù)字超結(jié)構(gòu)的錐形波導(dǎo),還展示了錐形優(yōu)化結(jié)構(gòu)與光柵配合形成耦合器的應(yīng)用。并且將其與聚焦型和線(xiàn)性錐形光柵耦合器比較,證明其可行性。所有硅波導(dǎo)器件遵循相同的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)量過(guò)程:根據(jù)設(shè)計(jì)要求將硅波導(dǎo)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(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能所需要的子單元排列。基于這種優(yōu)化的數(shù)字超結(jié)構(gòu),使用三維有限時(shí)域差分(3D FDTD)方法模擬得到其光場(chǎng)分布和傳輸效率來(lái)觀(guān)察和對(duì)比優(yōu)化效果。依照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備獲得樣品,遵循半導(dǎo)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(guò)程,之后還要通過(guò)電鏡掃描確認(rèn)制備樣品的結(jié)構(gòu)和尺寸。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,搭建光纖-片上耦合測(cè)試平臺(tái),并對(duì)制備的每個(gè)器件進(jìn)行精確地測(cè)量,需要對(duì)高傳輸效率的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行級(jí)聯(lián)制備以減小測(cè)量誤差,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理得到實(shí)驗(yàn)效率,與仿真數(shù)據(jù)相互比較。并且對(duì)器件的性能和魯棒性進(jìn)行分析和對(duì)比。文中所有硅波導(dǎo)器件都是為C波段和TE模式設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)也允許TM模式和其他光譜波段。與目前已報(bào)道的同類(lèi)型器件相比,本文展示的硅波導(dǎo)器件在性能達(dá)到很高的同時(shí),其結(jié)構(gòu)尺寸最小,并且都進(jìn)行樣品制備,實(shí)驗(yàn)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(dǎo)器件的尺寸限制,在集成光學(xué)器件和系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN252
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文這種拓?fù)湫蛢?yōu)化結(jié)構(gòu)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(duì)計(jì)算機(jī)的硬件性能有很高的要求，且設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，最小寸往往超出光刻分辨率，因此在制備時(shí)要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外修正，這樣導(dǎo)致備的樣品性能很難達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，且器件的魯棒性也較差。因此，硅波導(dǎo)器件拓?fù)湫蛢?yōu)化研究較小，因?yàn)楹茈y達(dá)到制備要求。（2）像素點(diǎn)型優(yōu)化的研究像素點(diǎn)型的優(yōu)化是以規(guī)則圖形為子單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，其子單元一般為方形或圓形。2015 年，猶他大學(xué)的 Bing Shen 在 Nature Photonics 發(fā)表文章，首次提出方形像素點(diǎn)型的逆向自動(dòng)優(yōu)化方法并以此設(shè)計(jì)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(bào)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(diǎn)的尺寸120×120 nm2，這是很容易實(shí)現(xiàn)更重要的是，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)這種方形像素點(diǎn)型的化設(shè)計(jì)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(diǎn)型逆向設(shè)計(jì)在目前報(bào)道中應(yīng)用最多的。

圖 2-3 圓形像素點(diǎn)型模式（解）復(fù)用器優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖 2-4 半圓環(huán)像素點(diǎn)型旋光發(fā)生器優(yōu)化結(jié)構(gòu)1.2.2 不同優(yōu)化算法的研究發(fā)展目前硅波導(dǎo)器件逆向優(yōu)化的研究中，優(yōu)化算法的開(kāi)發(fā)也是一個(gè)熱點(diǎn)。器件能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化，那么自動(dòng)優(yōu)化的器件性能和優(yōu)化時(shí)間就是一個(gè)可以相互比較和更新的方面。而決定這個(gè)方面的關(guān)鍵因素就是優(yōu)化算法的選擇和應(yīng)用。優(yōu)化算法

再將每個(gè)圓環(huán)劃分為若干像素點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一個(gè)將平面波導(dǎo)光轉(zhuǎn)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(duì)不同的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以選擇合適的像素點(diǎn)對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行劃分，但總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于片上的平面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，方形像素點(diǎn)是最常用的優(yōu)化方式，這樣可以充分利用設(shè)計(jì)區(qū)域。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)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(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 熊霄;量子集成光學(xué)芯片上的器件設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 邱暉曄;基于波導(dǎo)光柵的硅基集成光器件研究[D];浙江大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2775858