基于功能导向智能设计的多功能硅基集成器件研究

With the continuous construction of cloud computing services growing, the requirements of the wider network bandwidth and higher capacity is becoming urgent. In addition to the light amplitude, phase, wavelength and polarization, optical fiber modes are proposed as a new dimension to carry information, and become an important method to further improve the optical communication capacity and the spectrum efficiency. This project aims at the integration, miniaturization and other important needs of the transmitting/receiving modules in the mode division multiplexing communication system, as well as the difficulties of mode division multiplexing/demultiplexing and mode conversion between few-mode fibers and SOI waveguides; with the help of the development of high performance computing, this project studies the mechanisms of manipulation of the universal mode conversion on micro-nano optical field and optimization algorithm. This project conquers the intelligent design technique in the application of designing micro-nano devices with complex spatial structure and large-scale footprint. Based on the intelligent design technique, we design and fabricate a compact micro-nano SOI-based device which will realize at least two functions, mode division multiplexing/demultiplexing and mode conversion; the device will implement the function of converting 6 patterns in few-mode fiber into six fundamental modes in outputs of a SOI chip, and achieve more than 15dB of mode isolation. The implementation of this project paves the high-speed road for solving the problems of integration and miniaturization to the transmitting/receiving modules in the mode division multiplexing communication system in theory and technique domain.

随着云计算等新业务的不断涌现，对光通信系统的容量提出越来越高的要求，而光波模式作为一个新的信息复用维度，已成为进一步提高光通信容量和频谱效率的重要手段。课题针对光纤模分复用通信系统中发射/接收模块集成化、小型化等重要需求，瞄准两种不同波导结构（少模光纤/硅基平面波导）之间模式变换及模分复用/解复用难题，借助高性能计算能力的发展，通过研究微纳结构中光场操控的普适性模式变换、基于机器学习技术的优化算法等基础理论，攻克大尺寸、复杂空间结构的微纳光子器件智能设计技术，设计并研制出一种可同时实现少模光纤与硅基波导模式之间模式变换和模分复用/解复用两种功能的硅基微纳光子器件，实现少模光纤中6个光纤模式到硅基芯片上6端口波导基模输出，模式隔离度≥15dB，为解决光纤模分复用系统发射/接收模块的集成化、小型化奠定理论及技术基础。

基于高性能计算能力的功能导向的智能设计是一种颠覆性的微纳光子器件设计技术。其以实现一定的器件功能为目标，借助于高性能计算平台上的智能设计系统，利用优化算法自动迭代，最终生成满足功能要求的微纳光子器件结构，可以实现超乎想象、具有新颖功能的微纳光子器件。项目组针对光纤模分复用通信系统中发射/接收模块集成化、小型化等重要需求，瞄准两种不同波导结构（光纤/硅基平面波导）之间模式变换及模分复用/解复用难题，建立了功能导向的智能设计的数理模型，搭建了新型微纳光子器件的智能设计系统；提出了基于自由拓扑型和特征结构型的两种智能设计方法。通过工艺兼容的算法、智能设计系统优化和并行计算加速技术的研究，极大地提高了智能设计系统的设计效率，所设计器件更易于制备。最后，基于所建立的智能设计系统设计并实现了多种硅基新型功能器件，包括：.1. 光纤模式至硅基波导模式复用/解复用和模式变换器：光纤LP01和LP11模至硅基TE基模的耦合效率分别为30.47%和21.62%（@1550nm）； .2. 光纤LP模式和硅基TE模式耦合器：通过在材料结构中增加金属反射镜，光纤LP01模至硅基TE基模的耦合效率提高至88.42%；.3. 光纤-硅基偏振分束器件：LP01的两个偏振至TE基模的耦合效率提高至77.1%和74.47%；.4. 模式波分解复用器：光纤中1550nm和1310nm波长的LP基模至硅基TE基模的耦合效率分别为57.94%和57.15%；.5. 基于自由拓扑型和基于特征结构型的任意角度2×2波导交叉连接器：测试结果表明，基于自由拓扑型的30°、80°和90°交叉连接器的C波段损耗在0.2~0.4 dB之间，串扰<-30 dB，其性能与现有器件相当，但面积约为现有器件的1/10；基于特征结构型的60°和80°交叉连接器最小串扰分别达到-58 dB和-63 dB；.6. 基于神经网络的硅基全刻蚀光栅垂直耦合器、全刻蚀光栅波分解复用器和多层刻蚀光栅垂直耦合器。.通过本项目的实施，可实现微纳光子器件设计由“人工经验法”向“机器自主设计”模式的转变，大大缩短研究周期、降低综合成本，实现我国光子器件设计能力质的飞跃，达到世界领先水平。

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