集成光子学中的微结构器件研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张磊 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 吴衍青 |
| 关键词 | 硅基光子学 介质超表面 表面等离子激元 |
| 英文摘要 | 光子集成是将功能各异的集成式光子器件大规模集成在一个基底上,使其具有系统性功能的技术。光子芯片在光互连,量子计算,光神经网络计算和生物传感芯片等领域都有很大的应用潜力,正在被广泛研究。目前发展最成熟的领域是光通信芯片,以光信号为载体的光学集成芯片可以实现高速的光信号收发,光速的光信息交互,能完美的解决计算和通信领域面临的挑战。而且光电子集成芯片的制造工艺与现有的微电子芯片工艺技术相兼容,成本低,功耗小,具有广泛使用的潜力。目前正处于高速光收发芯片,大规模光交换芯片等数千基本元件组成的系统级芯片的研究状态。但相比之下,目前光子芯片的基本元件尺度约为400μm,光子集成芯片集成度远小于集成电路,且从长远来看,光子集成芯片的发展方向之一就是提高集成度,现有的集成光子学元件大多是导波光学原理等设计的,通过波导结构来控制光的传播,理论上不具备小型化的可能性,或者说,现有的元件小型化之后元件性能会急剧下降。光子芯片不同于电子芯片,在提高集成度的发展中主要制约因素并不是微纳加工工艺精度。提高光子芯片的集成度需要基于新原理的基本元件。近年来科学家提出可以利用微纳结构阵列来控制光的传播,称为集成式超表面元件。微结构阵列对光的响应复杂,所以可以通过微结构阵列的设计来实现多种功能的器件,具有小型化,高性能和设计高自由度等优点。但是随之而来是设计的复杂度,难以建立相关的物理模型。现有的设计方式多为非物理的计算求解,将微纳结构阵列看作类二维码分布,通过特定的算法求解微结构阵列的光学响应并不断优化逼近最优结果,将物理问题转化为算法问题。然而这类方法算力需求高,对于不同参数都需要重新计算,对计算的结果也不能给出物理的分析。所以需要建立超表面元件响应的物理模型。本论文从导波光学原理出发,推导了光波导体系下的色散方程,介绍了变换光学和超材料的内容,逐步将梯度折射率元件的概念引入到集成光子学领域,提出了一种超表面元件设计的近似的物理模型,通过简单计算即可设计特定的超表面元件,能够对超表面元件的设计给出了理论和经验指导。同时也为变换光学的研究提供了平台,可以在光芯片上实现隐身衣,黑洞模拟等等。全文的主要内容如下:(一)将梯度折射率元件的概念引入了集成光子学体系。基于光波导体系下的色散方程和等效介质理论拟合了超表面周期单元微结构占空比与局域有效模式折射率的函数关系。提出了利用超表面元件在导波光学体系下实现梯度折射率元件的方法。利用这种方法在标准SOI(Silicon-On-Insulator)参数下设计了小型化高性能的伦堡透镜,耦合器,偏振分束器元件,尺度均约为10μm量级,其中伦堡透镜能够实现高效的聚焦,聚焦效率约为87%,焦点半高宽约为0.5μm,设计的耦合器能够实现不同宽度波导间的高效耦合,耦合效率远高于同等长度下的锥形耦合器。偏振分束器能够实现不同偏振光的分离,消光比可达20 d B,且设计方法能够针对不同宽度的输入输出波导,且能够和其他复用元件联合使用。(二)光开关是光子集成芯片的重要元件,目前最常用的光开关主要是马赫-曾德干涉型光开关。这种光开关大多需要基于热光或电光效应的相位调制器,而传统材料的电光,热光系数都较低,所以传统光开关的尺度大多为300μm量级。也就是说要实现光开关元件的小型化需要改变现有的材料体系,相变材料的折射率变化范围大,理论上来说利用相变材料可以设计高集成度的光开关。本论文基于相变材料设计了微结构光开关,设计的器件尺寸仅有1μm左右。在165 nm的工作带宽下,实现了插入损耗优于1.27 d B,调制深度优于0.95。这种设计充分利用了相变材料的特色,实现了低插损,高消光比的光开关。(三)光子集成中一个非常吸引人的方向是如何将光学集成的尺度做到10纳米量级,将光电集成在同一尺度上。光子集成的方式很难讲集成度缩小至亚波长尺度,所以可能要更换光子集成的载体。可能的载体是表面等离子激元,它是一种可以将光局域在纳米尺度的金属电磁表面波。本论文在表面等离激元体系下也设计了基于超表面的梯度折射率元件,设计了表面等离激元伦伯透镜和高效的耦合器。所设计的表面等离激元伦伯透镜性能良好,聚焦效率可达78%。设计的表面等离激元耦合器性能也远高于相同参数下的锥形耦合器。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33838]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张磊. 集成光子学中的微结构器件研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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