面向芯片级光互连的硅基亚波长结构模式复用器件研究

Chip-level optical interconnection has recently shown great potential in microelectronic integrated circuit in the post-Moore era, and the on-chip mode multiplexer is one of the most important building blocks. Due to the large footprint, the conventional waveguide based mode multiplexers have significant drawbacks for the chip-level applications. In this application, novel mode (de)multiplexers based on subwavelength structures with ultra-compact footprint, high-performance and multiple functions are proposed. However, conventional subwavelength devices suffer from several technical problems such as strict fabrication tolerance, unknown mechanism and low efficiency in design. Considering the relaxation of fabrication tolerance using digital-like silicon subwavelength devices and design methods based on equivalent theoretical models to realize mode multiplexer, we have proposed an efficient optimization method based on these two innovative research to design monolithic and add/drop mode multiplexers. High-performance on-chip silicon subwavelength mode multiplexers with a wavelength range from C-band to L-band, supporting 2-8 mode and small scale reduced by 1-2 orders of magnitude are supposed to be designed and experimentally demonstrated. Meanwhile, the principle of performing simultaneous mode and wavelength multiplexing for on-chip optical interconnect will be also verified. The ultra-compact on-chip nanophotonic mode multiplexers proposed hereby may have important values both on theory and practice for realizing highly integrated, low-cost and ultra-broadband chip-level optical interconnection in the future.

芯片级光互连是“后摩尔时代”微电子集成电路的重要发展方向，片上模式复用是其关键技术之一。基于规则波导的硅基模式复用器件尺寸大且趋近理论下限，是芯片级应用的严重缺陷。本项目提出基于硅基亚波长结构研究超小型、高性能和多功能的片上模式复用器件。针对常规硅基亚波长结构器件性能受工艺误差影响大、设计方法因机理不明效率低下的关键技术难题，通过1) 能有效抑制工艺误差影响的数字型硅基亚波长新结构和2) 基于等效模型的硅基亚波长结构实现模式复用的新机理和新方法等两项创新研究，建立单片式和上/下路式硅基亚波长结构模式复用器件优化设计方法，研制覆盖C+L波段、支持2-8个模式、尺寸减小1-2个数量级的高性能硅基片上模式复用核心器件，并开展波分模分混合复用的片上光互连原理验证。本项目预期研制的硅基亚波长结构超小型片上模式复用器件，对于未来实现高集成、低成本、超宽带的芯片级光互连具有十分重要的理论意义和应用价值。

本项目在国际上率先提出并采用数字型亚波长新结构、逆向设计新机制和新方法，实现了一系列国际最小尺寸的硅基集成模式复用器件，构建并实验验证了高密度集成的单片集成模分复用光子回路，为超宽带、高密度芯片级光互连技术研究与应用提供了新途径。.本项目主要研究了数字型亚波长结构及其逆向设计机制，以及数字型亚波长硅基多模光子器件的等效光子学模型、高效率逆向设计算法和单片集成多端口光子回路，在此基础上，研究建立了一套数字型硅基亚波长器件调控机理、设计方法、制备工艺和系统应用的集成光子器件逆向设计通用体系。.本项目有3项重要研究结果：1) 提出“类光子晶体”数字型亚波长新结构，实现了逆向设计随机逻辑图案与实际刻蚀图案形状的解耦，建立了随机逻辑图案生成规则刻蚀图案的逆向设计新机制，用数字结构代替复杂结构突破复杂亚波长光子器件难制造的重大应用瓶颈；2) 提出数字化伴随法的新算法，将梯度下降法应用于无法计算梯度信息的数字型亚波长器件的逆向设计，效率提高了约5倍，突破了常规优化算法的效率瓶颈；3) 提出基于等效介质理论和周期亚波长波导的逆向设计等效理论模型，开创了光子学理论指导的可预测的、目标导向的逆向设计新方法，并与数值优化算法结合，打破常规正向设计方法的理论极限，实现了一系列超小型、高性能的新型集成光子器件。.本项目发表了SCI论文20篇，获得授权中国发明专利6项，在国际学术会议做邀请报告4篇、分组报告5篇，培养研究生12人。项目发表的论文包括Light: Science & Applications论文1篇、Photonics Research“2018年集成光学十篇高被引论文”1篇、单篇引用>100次（谷歌学术）的论文1篇以及Photonics Research封面论文1篇。总引用次数达到348次（谷歌学术），提出的数字型亚波长结构和逆向设计算法被国内外多个研究小组广泛应用于亚波长集成光子器件设计。