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    [分享]Ansys Lumerical | FDTD 应用:设计光栅耦合器 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-05-18
    本文将设计一个光栅耦合器,将光子芯片表面上的单模光纤连接到集成波导。内置粒子群优化工具用于最大化耦合效率,并使用组件S参数在 INTERCONNECT 中创建紧凑模型。还演示了如何使用 CML 编译器提取这些参数以生成紧凑模型。(联系我们获取文章附件) #X"eg  
    X^H)2G>e  
    概述 mko<J0|4  
    Hd)4_ uBt  
    UpS`KgF"v  
    MLcc   
    本示例的目标是设计一个 TE 绝缘体上硅 (SOI) 耦合器,该耦合器带有由单模光纤从顶部馈电的布拉格光栅。此设计中的关键品质因数(FOM)是目标波长处的耦合效率。耦合效率对光栅的间距高度敏感p,蚀刻长度le和蚀刻深度he以及光纤的位置x和倾斜角度θ。 5 !G}*u.  
    x*[\$E`v  
     P-QZ=dm  
    X}xy v  
    这五个参数通常一起优化,以最大限度地提高目标中心波长的耦合效率。由于具有五个参数的暴力 3-D 优化非常耗时,因此此处使用 2-D 和 3-D 模型的组合进行两阶段优化,并且仅改变三个几何参数。设计工作流程包括四个主要步骤。 b#^UP  
    wvA@\-.+  
    1、初始 2-D 优化:优化光栅的间距 p、占空比 d 和光纤位置 x。 Dw^d!%Ala  
    2、最终的 3-D 优化:优化光纤的位置 x 以最小化插入损耗。 :WT O*M  
    3、S 参数提取:运行 S 参数扫描并将结果导出到数据文件。 /E@|  
    4、紧凑的模型创建:将 S 参数数据导入光学 S 参数元素。 T0Q)}%L  
    ,m:YZ;J(Xd  
    如下一节所示,主要使用40D仿真并改变光栅的间距、占空比和光纤位置可以获得高于2%的峰值耦合效率。 MD S;qZx=  
    a<M<) {$u  
    使用 CML 编译器生成紧凑模型 =?3D:k7z  
    yla&/K;|*  
    要使用CML编译器生成光栅耦合器的紧凑模型,可以使用步骤3中的S参数数据。 8hi|F\$_h  
    g#1_`gK  
    运行和结果 (AdQ6eGMb  
    kQ~*iY  
    第 1 步:2D 优化 ^~2GhveBV  
    1、打开 2D 模拟文件。 8|w_PP1oE  
    2、进入“优化和扫描”窗口,打开名为“耦合效率优化”的优化项,查看优化设置。 ,.uPlnB_  
    3、查看设置后,关闭编辑窗口并运行优化。优化应在 10 到20分钟内完成。如果您不想等待,请直接进入最后的 3D 优化步骤。 <ok/2v  
    4、优化完成后,可以检索最佳螺距、占空比和位置。右键单击“耦合效率优化”项,然后在上下文菜单中选择“可视化”,然后选择“最佳参数”。 =$IjN v(?  
    1 {dhGX  
    优化完成后,最佳参数结果也将在优化状态窗口中显示,如下所示。品质因数图还显示,由于优化,FOM 已最大化。 ]v3 9ag_hu  
    &V[m{.  
    RUmJ=i'4/  
    |b52JF ",  
    第 2 步:3D 优化 jnX9] PkJ  
    1、打开 3D 模拟文件。 x(7K=K']  
    2、转到“对象树”窗口,然后选择光栅结构组。 $z]gy]F  
    3、右键单击选定的结构组,然后在上下文菜单中选择“编辑对象”以打开编辑窗口。在编辑窗口的“属性”选项卡中,您应该会看到来自 2D 优化的最佳光栅间距和占空比。 1_!*R]aq  
    4、单击确定关闭结构组编辑窗口。 [MYd15  
    5、现在,转到“优化和扫描”窗口,然后选择名为位置优化的优化项目。 `6b!W0$ -  
    6、运行选定的优化。这将需要几个小时,因为所有模拟都是3D的。如果您不想等待,请直接转到 S 参数提取步骤。 <DCrYt!1}c  
    7、优化完成后,可以检索最佳光纤位置和预测的耦合效率。右键单击位置优化项,然后选择“可视化”,然后选择“最佳参数”或“最佳fom”。最佳参数结果包含最佳光纤位置x,而最佳品质因数结果包含目标波长的耦合效率。 ~&=-*  
    _U)DL=a'  
    优化结束时的优化状态窗口也可以提供如下所示的相同信息: ,K8O<Mw8  
    i3*S`/]p  
    $cFanra  
    2;NIUMAMM  
    第 3 步:S 参数提取 cTFyF)  
    1、再次转到“对象树”窗口,然后选择纤维结构组。 =m=`|Bn  
    2、右键单击所选组,然后在上下文菜单中选择“编辑对象”。 Pm6/sO  
    3、在编辑窗口的“属性”选项卡中,应存在最佳纤维位置 x。 6)kF!/J  
    4、再次转到“优化和扫描”窗口,选择名为 S 参数的扫描项并运行扫描。扫描将启动两个模拟,应在大约半小时内完成。 ^ S'}RZ*>  
    5、扫描完成后,设备的散射参数变得可用。要查看它们,请右键单击 S 参数扫描项,然后在上下文菜单中选择“可视化”,然后选择“S 参数”。选择标量操作“Abs^2”以查看功率 s 参数 n0kBLn  
    6、要导出 S 参数结果,请右键单击 S 参数扫描项,然后在上下文菜单中选择“导出到互连”。在随后的“导出到互连”窗口中,输入数据文件的名称和位置,然后单击“保存”。 E@aR5S>  
    !q! =VC  
    获得的s参数光谱表明,在目标波长下功率耦合效率约为40%,如下图所示: |<P]yn  
    PBb@J'b  
    HiEXw}Hkz  
    &""~Pn8  
    有关 s 参数提取的详细信息,请参阅此示例的附录部分。 G:$wdT(u  
    !dYkvoQNn  
    步骤 4:创建紧凑模型 I3D8xl>P\  
    1、在 INTERCONNECT 中打开 grating_coupler.icp 文件。 l)fF)\|;=  
    2、将步骤 3 中生成的 S 参数文件导入光纤 N 端口 S 参数元素 (Grating_Coupler)。 ^_r8R__S:  
    3、运行仿真并可视化输入模式 1 的传输结果。将标量操作切换为“Abs^1”以观察功率传输 dy;Ue5  
    \ aQBzEX  
    在互连中测量的功率传输与在步骤3中获得的s参数功率传输相同。 =9GL;z:R+  
    8l0%:6XbI  
    Ps(3X@  
    KD*,u{v;  
    重要模型设置 I2(5]85&]s  
    4r`u@  
    极化 CeoK@y=o  
    所选折射率值代表 SOI 芯片制造工艺。由于硅和氧化硅之间的高折射率对比度,集成波导的两种基本模式(TE和TM)的有效折射率之间存在很大差异。因此,SOI光栅耦合器具有强极化选择性。所提出的设计激发了TE模式,因为这是最常见的选择,但是,也可以针对TM模式设置优化。 UHF.R>Ry  
    i2A>T/?{  
    倾斜角度 (Kd;l &8  
    耦合效率在很大程度上取决于光纤如何与顶部氧化硅包层相遇。在本例中,假设光纤的末端以小角度抛光,以便光纤在安装在顶部包层上时倾斜。这种倾斜可防止反射到光纤中。为简单起见,这里采用了固定的倾斜角度,但是,可以通过允许其变化来改进设计。 .{LFc|Z[  
    z@^[.  
    蚀刻深度  qm&}^S  
    耦合效率对光栅的间距、占空比和刻蚀深度高度敏感。为简单起见,这里采用固定的蚀刻深度,但是,如果可用的制造工艺提供该自由度,也可以改变。 0F6^[osqtl  
    7^#f<m;Ar!  
    基板 ~cVFCM  
    如果制造器件中存在硅衬底,则应将其包含在仿真中。基板将对光的耦合方式产生明显影响,并且不能像其他器件设计中经常做的那样省略。 6]rIYc[,  
    M2_sxibI  
    间距 4:=']C  
    在最初的二维优化步骤中,如何为光栅间距选择优化范围并不明显。假设蚀刻深度固定 he 和占空比 d  在 [0,1] 范围内,什么是合适的音高范围?这里使用的范围值来自最低阶布拉格条件,它与光栅的间距有关,p到有效索引 neff 光栅数量: | Uf6k`  
     8Br*  
    Q5b?- P  
    $&Ng*oX  
    λ0是中心波长,nSiO2 是氧化硅顶部包层的折射率和θ是像以前一样的源角度。请注意,此关系假定顶部包层和核心之间的折射率对比度最小,并且对于高折射率对比度系统无效。优化过程中为节距选择的范围可以通过考虑以下两个极值来获得 neff  这是光栅未蚀刻和部分蚀刻区域的板坯模式的有效指标。这些指数可以通过特征模态求解器(如 FDE)获得。最佳 p 值通常略大于布拉格条件预测的值。由于波导上的端口包含板坯模式的有效索引作为其结果之一,因此这种初始猜测很容易计算。 V03U"eI="  
    >_(Xb %w  
    结构组 }BS.OK?  
    此处使用结构组来更新光栅和光纤的几何基元。对光栅和纤维参数的任何更改都必须使用结构组的接口进行应用。使用结构组的优点是,它们可以将单个参数更改应用于多个基元,但是,它们也可以覆盖对单个几何图形的手动更改。纤维结构组被设置为模拟以一定角度抛光的纤维。这是通过对组中的对象应用轻微旋转并对对象使用“网格顺序”设置来完成的,以便光纤仅向下延伸到光栅耦合器上方的某个点,而不是像布局视图中可能描述的那样完全穿过光纤。这可以通过可视化结构的索引配置文件来验证,如下所示:  pI|Lt  
    tbF>"?FY/  
    qP6]}Aj]  
    DcE)6z#  
    优化品质因数 (FOM) \%z#|oV#<  
    由于设计的目的是在所需波长下实现最佳耦合,因此选择优化品质因数作为通过耦合器在目标波长处的传输,优化算法将尝试最大化该值。此品质因数由“模型”对象中的分析脚本计算。 r5> FU>7'  
    lcHw Kd  
    使用参数更新模型 la>:%SD  
    ·在全局端口设置中输入所需的源波长和目标带宽。 A&rk5y;  
    ·从模型对象的分析选项卡中选择用于耦合效率优化的目标波长。 /UTeaM!?"  
    ·根据您的测量设备更新光纤尺寸和折光率值。 [URo#  
    ·根据您的制造工艺和目标设计偏振修改折射率值和层厚度。 at]=SA  
    ·验证两个端口的选定模式是否具有所需的极化;如有必要,调整端口大小。 0m $f9b|Q?  
    ·使用您选择要优化的参数更新优化对象;选择合适的参数范围。 <61T)7  
    G < Z)y#  
    CML 编译器的参数提取 |} ;&xI  
    q%%8oaEI  
    lfp[(Ph)9  
    i,1=5@rw5  
    本节介绍如何使用脚本文件自动提取和保存光栅耦合器的 S 参数。我们假设光栅耦合器已经优化,因此仅执行原始工作流程的第3步概述部分是必要的。此步骤中生成的 S 参数文件可以直接在 CML 编译器中使用,为光栅耦合器创建紧凑模型。 O-y/K2MC*  
    C']TO/2q  
    提取光栅耦合器元件的S参数并使用它来构建光栅耦合器(固定)的步骤 – 铸造模板 – Ansys Optics紧凑模型如下所述: z %{Z  
    %^ f! = *  
    1、打开模拟文件 grating_coupler_3D.fsp 和脚本文件 grating_coupler_dataCMLCompiler.lsf。 htX;"R&  
    2、运行脚本文件。 \7rFfN3  
    3、复制生成的gc_strip_te_c_S_params.txt文件。将此文件与包中存在的 gc_strip_te_c.lsf 文件一起粘贴到 gc_strip_te_c 元素文件夹中以生成紧凑模型。有关运行CMLC构建紧凑模型的详细信息,请联系工作人员了解。 AM  cHR=/  
    4、在用于为元件构建紧凑模型的 xml 文件中,更新parameter_fileformat 属性,如下所示。 W~(@*H  
    =B<>H$  
    M3ihtY  
    QPB@qx#@  
    进一步推广模型 +?Vj}p;  
    v7&oHOk!  
    S 参数:S 参数提取步骤仅针对TE偏振生成散射参数结果。要添加 TM 极化,只需在集成波导端口上同时选择 TE 和 TM 模式,然后重新运行 S 参数扫描。此更改将为 S 参数扫描添加一个额外的仿真和一个额外的结果。 &NZl_7P L  
    2D 优化:通过将光栅的蚀刻深度和光纤的倾斜角度添加到优化参数列表中,可以改进初始 2D 优化步骤。改变蚀刻部门可以提高初始耦合效率,而改变倾斜角度可以让您将峰值效率落在中心波长处。根据设计目标,其他品质因数(例如整个频谱上的平均传输率)也可用于优化。 GTL gj'B  
    3D 优化:最终的 3D 优化步骤可以通过包含多个优化参数来改进。也可以完全绕过二维优化步骤,使用 2-D 模型优化所有五个参数。添加更多的优化参数将大大增加完成优化阶段所需的时间,但可以提高最终设计的耦合效率。 G66sP w  
    锥度优化 :3-D耦合器模型使用绝热锥度部分连接到光栅起点的集成波导。耦合效率也可以通过优化锥形来提高(参见 SOI 锥度设计)。 yH5^EY7rQ  
    并行化 :如果您有权访问计算机集群,则优化工具可以使用作业管理器并行化 所有必需的模拟。并行化可以大大减少优化时间,因为给定优化生成的所有模拟都可以在单独的机器上独立运行。 =&G<^7  
    MATLAB 和 Python:为了支持不同的优化算法,Matlab 和 Python API 可用于与其他工具接口,例如 Matlab 优化工具箱或 SciPy 的优化包。 JoeU J3N  
    高效光栅耦合器:在大带宽下效率高于90%的耦合器采用 FDTD 设计,使用更复杂的光栅和混合2/3D优化策略。 =lY6v -MBw  
    u UXj  
    参考文献 i3#To}g5V  
    d5h]yIz^  
    1、基本光栅耦合器设计 :D. Taillaert,F. Van Laere,M. Ayre,W. Bogaerts,D. Van Thourhout,P. Bienstman和R. Baets,“用于光纤和纳米光子波导之间耦合的光栅耦合器”,日本应用物理学杂志,第45卷,第8a期,第6071-6077页,2006年。 G<n(\85X  
    2、高级优化 :R. Marchetti,C. Lacava,A. Khokhar,X. Chen,I. Cristiani,D. J. Richardson,G. T. Reed,P. Petropoulos和P. Minzioni,“高效光栅耦合器:新设计策略的演示”,科学报告,文章编号:16670,2017。T. Watanabe,M. Ayata,U. Koch,Y. Fedoryshyn和J. Leuthold,“基于闪耀反反射结构的垂直光栅耦合器”,《光波技术杂志》,第35卷,第21期,第4663-4669页,2017年。
     
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