逆向设计的硅基无源器件以及三维光子集成的研究

论文摘要

以信息技术为主体的信息革命浪潮推动着21世纪正式进入信息化时代,受寄生电容、寄生电阻等限制的传统集成电路已不能满足当前快速增长的通信容量的需求,大带宽、高速率、低能耗、低延迟、小尺寸的片上集成光路越来越多的受到研究者的关注。随着光芯片集成密度的增加,芯片上的器件数量和线路复杂度也成指数式增长。为进一步提高集成密度,本文提出了两个可行的思路:减小器件尺寸和增加集成维度,即逆向设计的超小型硅基器件和三维光子集成。主要工作概括如下:（1）介绍了硅基光子学、逆向设计的纳米光子学器件以及三维光子集成的研究现状和意义,并对耦合模理论和几种优化算法的理论模型进行了分析,为后续的硅基无源器件的逆向设计和三维光交叉连接器的设计奠定基础。（2）分别采用粒子群算法、有约束最小化函数和直接二元搜索算法逆向设计了任意比例功分器、偏振不敏感功分器和高阶模式滤波器,在超小尺寸内实现低损耗、大带宽的高性能硅基无源器件。所设计的任意比例功分器在中心波长1550 nm处,损耗低于0.29 dB,功率分配比例误差低于0.05;对于偏振不敏感功分器,其在1550 nm处损耗低于0.35 dB,器件透过率不均衡性低于0.06%;TE1的定向耦合型模式滤波器,在1550 nm处损耗仅为0.18 dB,串扰则低于-27 dB。此外,也综合使用直接二元搜索算法和有约束最小化函数设计了模式杂化器,结合两种算法各自的优点,所设计器件在1550 nm处损耗低于0.49 dB,器件透过率不均衡性低于0.6%。（3）基于SiN-on-SOI平台设计了三维光交叉连接器,包括反向倒锥垂直耦合器和亚波长光栅波导三维交叉结构。通过优化结构参数,实现了在1500-1600 nm波长范围内器件理论损耗低于0.14 dB。（4）详细讨论了制备硅基二维平面器件和三维器件所需的工艺流程,并实验制作了定向耦合型模式滤波器和三维光交叉连接器。测试结果表明,TE1模式滤波器在1550 nm处损耗约为0.7 dB,串扰低于-16 dB;三维光交叉连接器在1550-1600 nm波长范围内层间垂直耦合损耗低于0.76 dB,波导交叉处串扰低于-30 dB。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 尤国庆

导师: 郜定山

关键词: 集成光子学,硅基无源器件,三维集成,逆向设计,垂直耦合器

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.2019.001266

总页数: 87

文件大小: 4020K

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