本文將設(shè)計一個光柵耦合器，將光子芯片表面上的單模光纖連接到集成波導(dǎo)。內(nèi)置粒子群優(yōu)化工具用于最大化耦合效率，并使用組件S參數(shù)在 INTERCONNECT 中創(chuàng)建緊湊模型。還演示了如何使用 CML 編譯器提取這些參數(shù)以生成緊湊模型。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

概述

本示例的目標(biāo)是設(shè)計一個 TE 絕緣體上硅 （SOI） 耦合器，該耦合器帶有由單模光纖從頂部饋電的布拉格光柵。此設(shè)計中的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（FOM）是目標(biāo)波長處的耦合效率。耦合效率對光柵的間距高度敏感p，蝕刻長度le和蝕刻深度he以及光纖的位置x和傾斜角度θ。

這五個參數(shù)通常一起優(yōu)化，以最大限度地提高目標(biāo)中心波長的耦合效率。由于具有五個參數(shù)的暴力 3-D 優(yōu)化非常耗時，因此此處使用 2-D 和 3-D 模型的組合進(jìn)行兩階段優(yōu)化，并且僅改變?nèi)齻€幾何參數(shù)。設(shè)計工作流程包括四個主要步驟。

1、初始 2-D 優(yōu)化：優(yōu)化光柵的間距 p、占空比 d 和光纖位置 x。

2、最終的 3-D 優(yōu)化：優(yōu)化光纖的位置 x 以最小化插入損耗。

3、S 參數(shù)提?。哼\行 S 參數(shù)掃描并將結(jié)果導(dǎo)出到數(shù)據(jù)文件。

4、緊湊的模型創(chuàng)建：將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入光學(xué) S 參數(shù)元素。

如下一節(jié)所示，主要使用40D仿真并改變光柵的間距、占空比和光纖位置可以獲得高于2%的峰值耦合效率。

使用 CML 編譯器生成緊湊模型

要使用CML編譯器生成光柵耦合器的緊湊模型，可以使用步驟3中的S參數(shù)數(shù)據(jù)。

運行和結(jié)果

第 1 步：2D 優(yōu)化

1、打開 2D 模擬文件。

2、進(jìn)入“優(yōu)化和掃描”窗口，打開名為“耦合效率優(yōu)化”的優(yōu)化項，查看優(yōu)化設(shè)置。

3、查看設(shè)置后，關(guān)閉編輯窗口并運行優(yōu)化。優(yōu)化應(yīng)在 10 到20分鐘內(nèi)完成。如果您不想等待，請直接進(jìn)入最后的 3D 優(yōu)化步驟。

4、優(yōu)化完成后，可以檢索最佳螺距、占空比和位置。右鍵單擊“耦合效率優(yōu)化”項，然后在上下文菜單中選擇“可視化”，然后選擇“最佳參數(shù)”。

優(yōu)化完成后，最佳參數(shù)結(jié)果也將在優(yōu)化狀態(tài)窗口中顯示，如下所示。品質(zhì)因數(shù)圖還顯示，由于優(yōu)化，F(xiàn)OM 已最大化。

第 2 步：3D 優(yōu)化

1、打開 3D 模擬文件。

2、轉(zhuǎn)到“對象樹”窗口，然后選擇光柵結(jié)構(gòu)組。

3、右鍵單擊選定的結(jié)構(gòu)組，然后在上下文菜單中選擇“編輯對象”以打開編輯窗口。在編輯窗口的“屬性”選項卡中，您應(yīng)該會看到來自 2D 優(yōu)化的最佳光柵間距和占空比。

4、單擊確定關(guān)閉結(jié)構(gòu)組編輯窗口。

5、現(xiàn)在，轉(zhuǎn)到“優(yōu)化和掃描”窗口，然后選擇名為位置優(yōu)化的優(yōu)化項目。

6、運行選定的優(yōu)化。這將需要幾個小時，因為所有模擬都是3D的。如果您不想等待，請直接轉(zhuǎn)到 S 參數(shù)提取步驟。

7、優(yōu)化完成后，可以檢索最佳光纖位置和預(yù)測的耦合效率。右鍵單擊位置優(yōu)化項，然后選擇“可視化”，然后選擇“最佳參數(shù)”或“最佳fom”。最佳參數(shù)結(jié)果包含最佳光纖位置x，而最佳品質(zhì)因數(shù)結(jié)果包含目標(biāo)波長的耦合效率。

優(yōu)化結(jié)束時的優(yōu)化狀態(tài)窗口也可以提供如下所示的相同信息：

第 3 步：S 參數(shù)提取

1、再次轉(zhuǎn)到“對象樹”窗口，然后選擇纖維結(jié)構(gòu)組。

2、右鍵單擊所選組，然后在上下文菜單中選擇“編輯對象”。

3、在編輯窗口的“屬性”選項卡中，應(yīng)存在最佳纖維位置 x。

4、再次轉(zhuǎn)到“優(yōu)化和掃描”窗口，選擇名為 S 參數(shù)的掃描項并運行掃描。掃描將啟動兩個模擬，應(yīng)在大約半小時內(nèi)完成。

5、掃描完成后，設(shè)備的散射參數(shù)變得可用。要查看它們，請右鍵單擊 S 參數(shù)掃描項，然后在上下文菜單中選擇“可視化”，然后選擇“S 參數(shù)”。選擇標(biāo)量操作“Abs^2”以查看功率 s 參數(shù)

6、要導(dǎo)出 S 參數(shù)結(jié)果，請右鍵單擊 S 參數(shù)掃描項，然后在上下文菜單中選擇“導(dǎo)出到互連”。在隨后的“導(dǎo)出到互連”窗口中，輸入數(shù)據(jù)文件的名稱和位置，然后單擊“保存”。

獲得的s參數(shù)光譜表明，在目標(biāo)波長下功率耦合效率約為40%，如下圖所示：

有關(guān) s 參數(shù)提取的詳細(xì)信息，請參閱此示例的附錄部分。

步驟 4：創(chuàng)建緊湊模型

1、在?INTERCONNECT?中打開 grating_coupler.icp 文件。

2、將步驟 3 中生成的 S 參數(shù)文件導(dǎo)入光纖 N 端口 S 參數(shù)元素 （Grating_Coupler）。

3、運行仿真并可視化輸入模式 1 的傳輸結(jié)果。將標(biāo)量操作切換為“Abs^1”以觀察功率傳輸

在互連中測量的功率傳輸與在步驟3中獲得的s參數(shù)功率傳輸相同。

重要模型設(shè)置

極化

所選折射率值代表 SOI 芯片制造工藝。由于硅和氧化硅之間的高折射率對比度，集成波導(dǎo)的兩種基本模式（TE和TM）的有效折射率之間存在很大差異。因此，SOI光柵耦合器具有強(qiáng)極化選擇性。所提出的設(shè)計激發(fā)了TE模式，因為這是最常見的選擇，但是，也可以針對TM模式設(shè)置優(yōu)化。

傾斜角度

耦合效率在很大程度上取決于光纖如何與頂部氧化硅包層相遇。在本例中，假設(shè)光纖的末端以小角度拋光，以便光纖在安裝在頂部包層上時傾斜。這種傾斜可防止反射到光纖中。為簡單起見，這里采用了固定的傾斜角度，但是，可以通過允許其變化來改進(jìn)設(shè)計。

蝕刻深度

耦合效率對光柵的間距、占空比和刻蝕深度高度敏感。為簡單起見，這里采用固定的蝕刻深度，但是，如果可用的制造工藝提供該自由度，也可以改變。

基板

如果制造器件中存在硅襯底，則應(yīng)將其包含在仿真中?；鍖獾鸟詈戏绞疆a(chǎn)生明顯影響，并且不能像其他器件設(shè)計中經(jīng)常做的那樣省略。

間距

在最初的二維優(yōu)化步驟中，如何為光柵間距選擇優(yōu)化范圍并不明顯。假設(shè)蝕刻深度固定 he?和占空比 d? 在 [0，1] 范圍內(nèi)，什么是合適的音高范圍？這里使用的范圍值來自最低階布拉格條件，它與光柵的間距有關(guān)，p到有效索引 neff?光柵數(shù)量：

λ0是中心波長，nSiO2?是氧化硅頂部包層的折射率和θ是像以前一樣的源角度。請注意，此關(guān)系假定頂部包層和核心之間的折射率對比度最小，并且對于高折射率對比度系統(tǒng)無效。優(yōu)化過程中為節(jié)距選擇的范圍可以通過考慮以下兩個極值來獲得 neff??這是光柵未蝕刻和部分蝕刻區(qū)域的板坯模式的有效指標(biāo)。這些指數(shù)可以通過特征模態(tài)求解器（如 FDE）獲得。最佳 p?值通常略大于布拉格條件預(yù)測的值。由于波導(dǎo)上的端口包含板坯模式的有效索引作為其結(jié)果之一，因此這種初始猜測很容易計算。

結(jié)構(gòu)組

此處使用結(jié)構(gòu)組來更新光柵和光纖的幾何基元。對光柵和纖維參數(shù)的任何更改都必須使用結(jié)構(gòu)組的接口進(jìn)行應(yīng)用。使用結(jié)構(gòu)組的優(yōu)點是，它們可以將單個參數(shù)更改應(yīng)用于多個基元，但是，它們也可以覆蓋對單個幾何圖形的手動更改。纖維結(jié)構(gòu)組被設(shè)置為模擬以一定角度拋光的纖維。這是通過對組中的對象應(yīng)用輕微旋轉(zhuǎn)并對對象使用“網(wǎng)格順序”設(shè)置來完成的，以便光纖僅向下延伸到光柵耦合器上方的某個點，而不是像布局視圖中可能描述的那樣完全穿過光纖。這可以通過可視化結(jié)構(gòu)的索引配置文件來驗證，如下所示：

優(yōu)化品質(zhì)因數(shù) （FOM）

由于設(shè)計的目的是在所需波長下實現(xiàn)最佳耦合，因此選擇優(yōu)化品質(zhì)因數(shù)作為通過耦合器在目標(biāo)波長處的傳輸，優(yōu)化算法將嘗試最大化該值。此品質(zhì)因數(shù)由“模型”對象中的分析腳本計算。

使用參數(shù)更新模型

·在全局端口設(shè)置中輸入所需的源波長和目標(biāo)帶寬。

·從模型對象的分析選項卡中選擇用于耦合效率優(yōu)化的目標(biāo)波長。

·根據(jù)您的測量設(shè)備更新光纖尺寸和折光率值。

·根據(jù)您的制造工藝和目標(biāo)設(shè)計偏振修改折射率值和層厚度。

·驗證兩個端口的選定模式是否具有所需的極化;如有必要，調(diào)整端口大小。

·使用您選擇要優(yōu)化的參數(shù)更新優(yōu)化對象;選擇合適的參數(shù)范圍。

CML 編譯器的參數(shù)提取

本節(jié)介紹如何使用腳本文件自動提取和保存光柵耦合器的 S 參數(shù)。我們假設(shè)光柵耦合器已經(jīng)優(yōu)化，因此僅執(zhí)行原始工作流程的第3步概述部分是必要的。此步驟中生成的 S 參數(shù)文件可以直接在 CML 編譯器中使用，為光柵耦合器創(chuàng)建緊湊模型。

提取光柵耦合器元件的S參數(shù)并使用它來構(gòu)建光柵耦合器（固定）的步驟 – 鑄造模板 – Ansys Optics緊湊模型如下所述：

1、打開模擬文件 grating_coupler_3D.fsp 和腳本文件 grating_coupler_dataCMLCompiler.lsf。

2、運行腳本文件。

3、復(fù)制生成的gc_strip_te_c_S_params.txt文件。將此文件與包中存在的 gc_strip_te_c.lsf 文件一起粘貼到 gc_strip_te_c 元素文件夾中以生成緊湊模型。有關(guān)運行CMLC構(gòu)建緊湊模型的詳細(xì)信息，請聯(lián)系工作人員了解。

4、在用于為元件構(gòu)建緊湊模型的 xml 文件中，更新parameter_fileformat 屬性，如下所示。

進(jìn)一步推廣模型

S 參數(shù)：S 參數(shù)提取步驟僅針對TE偏振生成散射參數(shù)結(jié)果。要添加 TM 極化，只需在集成波導(dǎo)端口上同時選擇 TE 和 TM 模式，然后重新運行 S 參數(shù)掃描。此更改將為 S 參數(shù)掃描添加一個額外的仿真和一個額外的結(jié)果。

2D 優(yōu)化：通過將光柵的蝕刻深度和光纖的傾斜角度添加到優(yōu)化參數(shù)列表中，可以改進(jìn)初始 2D 優(yōu)化步驟。改變蝕刻部門可以提高初始耦合效率，而改變傾斜角度可以讓您將峰值效率落在中心波長處。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，其他品質(zhì)因數(shù)（例如整個頻譜上的平均傳輸率）也可用于優(yōu)化。

3D 優(yōu)化：最終的 3D 優(yōu)化步驟可以通過包含多個優(yōu)化參數(shù)來改進(jìn)。也可以完全繞過二維優(yōu)化步驟，使用 2-D 模型優(yōu)化所有五個參數(shù)。添加更多的優(yōu)化參數(shù)將大大增加完成優(yōu)化階段所需的時間，但可以提高最終設(shè)計的耦合效率。

錐度優(yōu)化?：3-D耦合器模型使用絕熱錐度部分連接到光柵起點的集成波導(dǎo)。耦合效率也可以通過優(yōu)化錐形來提高（參見 SOI 錐度設(shè)計）。

并行化 ：如果您有權(quán)訪問計算機(jī)集群，則優(yōu)化工具可以使用作業(yè)管理器并行化?所有必需的模擬。并行化可以大大減少優(yōu)化時間，因為給定優(yōu)化生成的所有模擬都可以在單獨的機(jī)器上獨立運行。

MATLAB 和 Python：為了支持不同的優(yōu)化算法，Matlab 和 Python API 可用于與其他工具接口，例如 Matlab 優(yōu)化工具箱或 SciPy 的優(yōu)化包。

高效光柵耦合器：在大帶寬下效率高于90%的耦合器采用 FDTD 設(shè)計，使用更復(fù)雜的光柵和混合2/3D優(yōu)化策略。

參考文獻(xiàn)

1、基本光柵耦合器設(shè)計?：D. Taillaert，F(xiàn). Van Laere，M. Ayre，W. Bogaerts，D. Van Thourhout，P. Bienstman和R. Baets，“用于光纖和納米光子波導(dǎo)之間耦合的光柵耦合器”，日本應(yīng)用物理學(xué)雜志，第45卷，第8a期，第6071-6077頁，2006年。

2、高級優(yōu)化?：R. Marchetti，C. Lacava，A. Khokhar，X. Chen，I. Cristiani，D. J. Richardson，G. T. Reed，P. Petropoulos和P. Minzioni，“高效光柵耦合器：新設(shè)計策略的演示”，科學(xué)報告，文章編號：16670，2017。T. Watanabe，M. Ayata，U. Koch，Y. Fedoryshyn和J. Leuthold，“基于閃耀反反射結(jié)構(gòu)的垂直光柵耦合器”，《光波技術(shù)雜志》，第35卷，第21期，第4663-4669頁，2017年。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-453639.html

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