数字型硅基亚波长光子器件的高效反向设计研究

论文摘要

片上光互联的出现为微电子集成电路在速度、功耗、延迟、噪声等方面的瓶颈迎来转机。在保持优良的性能的前提下,进而不断减小集成光子器件的物理尺寸、实现高度片上光子集成,这是决定片上光互联技术能否应用的关键挑战。在集成硅光子器件的设计中,反向设计方法作为一种极具潜力的方法,近年来获得许多研究进展,但庞大的计算开销成为限制其发展的新瓶颈。本论文提出了一种称为“数字化伴随法”的新型高效反向设计优化算法,并采用此方法设计、制作、测试了单模式3-dB功率分支器和双模式解复用器,此外还设计了更大尺寸的粗波分解复用器。本论文主要内容如下:（1）针对数字化光子结构,基于模拟型结构所采用的伴随型梯度优化算法,提出了一种新型高效的反向设计优化算法,称为数字化伴随法。从光子器件设计目标出发,利用微扰理论、源与场互易性等基本理论,并采用偏置方法与三值化方法,从理论上推导与论证了该优化方法;（2）采用所提出的数字化伴随法进行单目标优化设计,设计了对称结构的单模式3-dB功率分支器,尺寸为2.6μm×2.6μm,宽谱平均附加损耗为0.33 dB。此外,对该器件也进行了实际的制备和测试,性能与仿真相符合;（3）采用所提出的数字化伴随法进行多目标优化设计,设计、制备、测试了双模式解复用器,尺寸为2.4μm×3μm,宽谱平均插入损耗为0.68 dB,串扰低于-25 dB。进一步设计了更大尺寸的粗波分解复用器,尺寸为2.88μm×2.88μm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究的目的和意义
•   1.2 反向设计算法国内外研究进展
•   1.3 本论文提出的方法
•   1.4 研究内容及论文框架
• 2 硅基亚波长结构的设计理论与实验方法
•   2.1 仿真设计中的电磁理论
•   2.2 亚波长类光子晶体结构
•   2.3 硅基光子器件的工艺制备及测试方法
•   2.4 本章小结
• 3 3-dB功分器的单目标优化设计
•   3.1 器件结构与优化目标
•   3.2 数字化伴随法优化过程
•   3.3 仿真与测试性能
•   3.4 讨论与分析
•   3.5 本章小结
• 4 双模式解复用器、粗波分解复用器的多目标优化设计
•   4.1 双模式解复用器结构与优化目标
•   4.2 双模式解复用器优化过程
•   4.3 双模式解复用器仿真与测试性能
•   4.4 双模式解复用器讨论与分析
•   4.5 粗波分解复用器
•   4.6 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任欣舒

导师: 张敏明

关键词: 硅光子器件,反向设计,亚波长结构,功率分支器,模式解复用器

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TN256

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000927

总页数: 55

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