【摘 要】
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随着信息社会的高速发展，人们关心的不仅是通信互联网容量与速度的提升，还有对光通信器件集成度的极限追求。发展光互连技术尤为重要，目前硅基片上集成光子器件的研究以其独特的材料和技术优势，成为学术研究和产业应用的热点方向。另一方面，由于集成规模、通信容量的不断提高，模式复用被公认为一种有效的扩容技术。硅基光波导可以有效地操纵高阶波导模式，提高模式隔离度和模式选择性，因此多模硅光子学越来越受到重视。但硅基多模复用器件仍存在尺寸和插损较大的问题，限制了其应用。本文主要利用一种拓扑优化算法，逆向设计各种紧凑的硅基多模
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随着信息社会的高速发展，人们关心的不仅是通信互联网容量与速度的提升，还有对光通信器件集成度的极限追求。发展光互连技术尤为重要，目前硅基片上集成光子器件的研究以其独特的材料和技术优势，成为学术研究和产业应用的热点方向。另一方面，由于集成规模、通信容量的不断提高，模式复用被公认为一种有效的扩容技术。硅基光波导可以有效地操纵高阶波导模式，提高模式隔离度和模式选择性，因此多模硅光子学越来越受到重视。但硅基多模复用器件仍存在尺寸和插损较大的问题，限制了其应用。本文主要利用一种拓扑优化算法，逆向设计各种紧凑的硅基多模复用光子器件，可以显著降低器件尺寸和插损。本文的主要研究内容概括如下：
(1)通过对文献的调研分析，总结了多模硅基集成光子学的发展。针对模式滤波器、多模式干涉器，选取定向耦合器模型作为逆向设计的初始结构，使用直接二元搜索算法进行目标器件的优化设计。
(2)根据硅基多模光子器件的性能参数合理设置目标品质因子，采用有限时域差分方法仿真运算，经过对不同变量的迭代优化，得到品质因子最优的随机刻孔的光子器件结构，具有超小尺寸、低损耗和高性能的优点。
(3)本文应用直接二元搜索算法逆向设计了硅基高阶模式滤波器、双偏振型高阶模式滤波器、双模式干涉器和四模式干涉器。仿真结果表明，高阶模式滤波器在1500nm~1580nm波长范围内，TE1模式损耗<0.2dB，模式隔离度>25dB。双偏振型高阶模式滤波器，TE1模式损耗<1.5dB，模式隔离度>25dB；TM1模式损耗<1.6dB，模式隔离度>20dB。双模式干涉器和四模式干涉器在1550nm的中心波长处各模式总透射率分别大于87％和80％，器件各模式透过率的不均衡性分别低于0.1％和5％。
(4)采用硅基微纳制造工艺制作器件并进行性能测试，测得高阶模式滤波器在中心波长1550nm处，TE1模式损耗低于0.1dB，模式隔离度高于15dB，工作带宽为60nm；双模式干涉器工作波长稍微偏移，在1542nm处损耗低于2.5dB，各模式的透过率不均衡度低于0.2dB。对实验误差分析和器件的工艺容差性进行了分析总结。
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