低损耗光栅耦合器设计

作     者：雒翔宇 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：储涛;米光灿

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：光互连 光栅耦合器 亚波长光栅 低损耗 多层光栅耦合器 

摘      要：信息化时代的快速发展,推动数据通信流量快速增长,新一代的通信需求显著增加。相较于传统电互连,硅基光子集成技术能够利用光信号的带宽大和传播延迟小的特性,有效满足通信需求,且能够与CMOS工艺兼容,实现小体积,低功耗的光芯片设计。而光芯片与光纤之间,由于存在较大的模场尺寸之差,实现二者之间的低损耗耦合是硅光研究中的重点。光栅耦合器则是解决这一耦合问题的主流设计器件之一。本论文以单偏振低损耗设计为目标,设计了工作在不同波段的光栅耦合器。本文主要取得以下成果:1.提出一种用于多参数优化的定向优化方法,在切趾优化中实现快速收敛。采用鲁棒性版图设计,提高器件刻蚀对准容差,结合交错刻蚀和切趾设计,实验证明光栅的耦合效率为-2.2d B。该结果为130nm CMOS工艺节点下商用硅光工艺制造的C波段硅光栅最低损耗结果。2.提出一种折射率渐变的亚波长结构概念,在新型的梯形亚波长光栅结构下,实验证明单刻蚀梯形亚波长辅助光栅耦合器的耦合效率为-1.73d B,这一结果为O波段同类单刻蚀光栅世界最低损耗结果。3.设计并实验证明了工作在O波段的硅-氮化硅双层光栅耦合器,将氮化硅层设计为增透膜结构,实现高耦合效率双层切趾光栅设计,实验得到双层光栅的耦合效率为-3.15d B。