摘要：在当代的高速通信网络领域,传统的电气互连技术正面临着一系列挑战,包括有限的带宽容量、信号衰减问题以及不断上升的能耗需求。这些挑战导致传统技术难以满足日益增长的通信需求。光互连技术,借助光信号传输数据,以其远距离通信、高带宽、低延迟、低功耗和可重构性等优势,成为克服这些限制的有力手段。在此基础上,波分复用(Wavelength Division Multiplexer,WDM)技术应运而生,WDM技术根据各通道波长间隔的区别主要分为粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexer,CWDM),细波分复用(LAN Wavelength Division Multiplexing,LWDM)以及密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexer,DWDM)这三类。WDM技术自诞生以来,经历了近三十年的快速发展,其应用范围从最初的光纤通信扩展到了现在的片上集成系统。随着技术的演进,WDM技术正朝着体积更小、集成度更高、能耗更低的方向发展。这种趋势不仅提高了系统的性能和可靠性,同时也降低了成本和维护难度,使得WDM技术在现代光通信和光子集成电路领域中扮演着越来越重要的角色。现在常用的硅基波分复用器包括阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG)型结构,级联马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型结构,蚀刻衍射光栅(Echelle Diffraction Grating,EDG)。AWG具有众多优点,因为其小波长间隔、多信道数且易于封装,所以适合于大容量、超高速的DWDM系统,但是需要额外的温度补偿;EDG是在高对比度、亚微米绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)波导平台上实现,集成度高,但是性能受到制造工艺的限制;MZI具有平顶的光谱滤波响应,适用于低损耗的CWDM系统,然而尺寸较大,大多数包含相位控制电路。针对片上光互连对紧凑型波分复用器的迫切需求,本文提出了全新的波分复用器架构,通过开展逆设计的研究,研制出了高集成度、高功率、高工艺容忍度、零功耗的超高带宽新型多端口波分复用器,解决了现有WDM器件尺寸较大,性能受工艺限制以及需要额外的温度补偿等难题,研制的新型波分复用器为先进封装中大功率片上光互连应用开拓了新的复用方法,研究的硅基光子功能器件逆设计方法为化解器件设计中高集成高性能的矛盾提供了技术思路和理论支撑。本文主要研究内容如下: 1)本文研究设计了两种硅基光子功能器件,分别是交叉波导与不同分光比的多模干涉耦合器(Multimode interference coupler,MMI),采用逆向设计的方法,在减小交叉波导与MMI器件尺寸的同时不影响器件的性能。交叉波导采用粒子群(Particle swarm optimization,PSO)算法,高效地寻找到性能最佳的器件轮廓,逆向设计了一种小尺寸,低插损,低串扰的交叉波导。实验结果显示,交叉波导在小于9μm×9μm的器件尺寸下实现了O波段100 nm范围内低于0.3 d B的插损;MMI采用基于深度学习的遗传算法,设计了50:50,60:40,55:45三种不同的分光比,具有易于集成,低插损,高带宽的优点。实验结果显示,三种MMI在O波段与C波段100 nm的宽带范围内,小于2.5μm×2.5μm的器件尺寸下实现了目标分光比。 2)本文提出了两种面向光互连应用的硅基多端口波分复用器,一种是基于非对称MMI的多端口波分复用器,由9个50:50分光比MMI、2个60:40分光比MMI、1个55:45分光比MMI,12个合束器和36个交叉波导构成,实验结果显示,这种架构在小于400μm×400μm的架构尺寸下,实现了功率均匀的四个输出端口四个波长1270 nm,1290 nm,1310 nm,1330 nm混合输出。为了解决第一种架构设计过程较为复杂的问题,提出了另一种是基于对称MMI的多端口波分复用器,由12个50:50分光比MMI、12个合束器和32个交叉波导构成,实验结果表明,这种架构在小于600μm×500μm的架构尺寸下架构也能够在四个输出端口实现功率均匀的四个波长1270 nm,1290 nm,1310 nm,1330 nm混合输出。