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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） IDct!53~ x $uhkP 概述 3W1Lh~Av i)#-VOhX)  j~v`q5X d/ _D|ivZ= 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。 5c- P lm% s5~k]"{j  G`!x+FB xHg C':l(0 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。 -K{ R7
<':h/ d 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。 MA
.;=T 2、最终的 3-D 优化：优化光纤的位置 x 以最小化插入损耗。 R"ON5,E 3、S 参数提取：运行 S 参数扫描并将结果导出到数据文件。 $;v! ,> 4、紧凑的模型创建：将 S 参数数据导入光学 S 参数元素。 gL<n?FG4b
ETZf 如下一节所示，主要使用40D仿真并改变光栅的间距、占空比和光纤位置可以获得高于2%的峰值耦合效率。 ly[yn{ ~ l}f@@u 使用 CML 编译器生成紧凑模型 EP:`l O_QDjxj^rZ 要使用CML编译器生成光栅耦合器的紧凑模型，可以使用步骤3中的S参数数据。 \'|n.1Fr Q68~D.V%r 运行和结果 M9)4ihK i{$-[*WHiV 第 1 步：2D 优化 V?X QjH1X 1、打开 2D 模拟文件。 cSL6V2F 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。 ^0]0ss;##R 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。 }rQ Qe:{]B 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”。 -YNpHd/;, T Q41i/{ 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。 t6Iy5)=zY =.`\V]  Yxq!7J t / \ S9 第 2 步：3D 优化 z;JV3) E 1、打开 3D 模拟文件。 $J1`. Q>)4 2、转到“对象树”窗口，然后选择光栅结构组。 ~ z^?+MgZ2 3、右键单击选定的结构组，然后在上下文菜单中选择“编辑对象”以打开编辑窗口。在编辑窗口的“属性”选项卡中，您应该会看到来自 2D 优化的最佳光栅间距和占空比。 )kep:-wm 4、单击确定关闭结构组编辑窗口。 j]Gn\QF 5、现在，转到“优化和扫描”窗口，然后选择名为位置优化的优化项目。 1!uBzO6/$ 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。 LR=Ji7 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。 =$ OGHc Fz#@ [1, 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： ,Zmjw@ w 8N& ' n  x2v0cR"KL /3s&??{tv 第 3 步：S 参数提取 Kx9u|fp5 1、再次转到“对象树”窗口，然后选择纤维结构组。 @i#JlZ M_ 2、右键单击所选组，然后在上下文菜单中选择“编辑对象”。 *}2 L4] 3、在编辑窗口的“属性”选项卡中，应存在最佳纤维位置 x。 S]3CRJU3` 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。 (dlp5:lQz
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 |]-Zz7N) 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”。 fd[N]I3 m%0 -3 c( 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： }MaY: PMA \2@J^O1,  J9lZ1 ,22 Vn5T Jw 有关 s 参数提取的详细信息，请参阅此示例的附录部分。 !Cg j
>= hs7!S+[.$$ 步骤 4：创建紧凑模型 <vcU5
.K. 1、在 INTERCONNECT 中打开 grating_coupler.icp 文件。 Kk^* #vR 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）。 44KoOY_ 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 -
l X4; qyM/p. mP 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。 a``|sn9 5x+]uABE  tp`1S+'~j I )mB]j 重要模型设置 MtkU]XKGT 9FDu{4: 极化 =}Tm8b0 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。 C8K2F5c5 ^/BGOBK 倾斜角度 wPg/.N9H 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。 CH 6 m >Y>R1b% 蚀刻深度 % ,bD|
NKp 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。 6*i ** t5{P'v9J 基板 Y,s EM% 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。 !<M
eWo sZrVANyqb 间距 mG
S4W; 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： 1Ms]\<^j @HS*%N"*  G(t:s5: f\_RW;y|m 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。 N,TV?Q5l7 ! JA;0[;l= 结构组 nL
5tHz:e 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： c`<2&ke Na9 1K4r#  `n$A k5f }xsO^K 优化品质因数 （FOM） 6 \8d 6x> 由于设计的目的是在所需波长下实现最佳耦合，因此选择优化品质因数作为通过耦合器在目标波长处的传输，优化算法将尝试最大化该值。此品质因数由“模型”对象中的分析脚本计算。 `=Ip>7T& (H_dZL 使用参数更新模型 B[L m}B[ ·在全局端口设置中输入所需的源波长和目标带宽。 m|q,i xg ·从模型对象的分析选项卡中选择用于耦合效率优化的目标波长。 h]<S0 / ·根据您的测量设备更新光纤尺寸和折光率值。 G[KjK$.Ts? ·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。 2u$-( JfoS ·验证两个端口的选定模式是否具有所需的极化;如有必要，调整端口大小。 rxyv+@~Nc ·使用您选择要优化的参数更新优化对象;选择合适的参数范围。 |<Ls;:5. zA5nr ` CML 编译器的参数提取 a/ A c^!( ]c>@RXY'  J];S j :9QU\{2 本节介绍如何使用脚本文件自动提取和保存光栅耦合器的 S 参数。我们假设光栅耦合器已经优化，因此仅执行原始工作流程的第3步概述部分是必要的。此步骤中生成的 S 参数文件可以直接在 CML 编译器中使用，为光栅耦合器创建紧凑模型。 . HZ d.* IWE([<i}i[ 提取光栅耦合器元件的S参数并使用它来构建光栅耦合器（固定）的步骤 – 铸造模板 – Ansys Optics紧凑模型如下所述： es7;eH*O9 egu{}5 1、打开模拟文件 grating_coupler_3D.fsp 和脚本文件 grating_coupler_dataCMLCompiler.lsf。 aMI;; iL^ 2、运行脚本文件。 ox&5} &\ 3、复制生成的gc_strip_te_c_S_params.txt文件。将此文件与包中存在的 gc_strip_te_c.lsf 文件一起粘贴到 gc_strip_te_c 元素文件夹中以生成紧凑模型。有关运行CMLC构建紧凑模型的详细信息，请联系工作人员了解。 _=$~l^Y[ 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。 l>\EkUT t2,II\K l  MT/jp x u[)X="-e# 进一步推广模型 $ 5pCfW8> 5&8E{YXr 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。 %DSr@IX 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。 }T[ @G 6# 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。 |jIH gm 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）。 \9[vi +T 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。 2}&ERW 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。 Aits< 0 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。 b d 1^ `%Fp'`ZM$8 参考文献 ;7\Fx8"s[ H?"M &mF 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。 v\@qMaPY 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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