Ansys Lumerical | FDTD 应用：设计光栅耦合器

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）

概述

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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。

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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。

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。
2、最终的 3-D 优化：优化光纤的位置 x 以最小化插入损耗。
3、S 参数提取：运行 S 参数扫描并将结果导出到数据文件。
4、紧凑的模型创建：将 S 参数数据导入光学 S 参数元素。

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。

使用 CML 编译器生成紧凑模型

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。

运行和结果

第 1 步：2D 优化
1、打开 2D 模拟文件。
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。
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。
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”。

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。

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第 2 步：3D 优化
1、打开 3D 模拟文件。
2、转到“对象树”窗口，然后选择光栅结构组。
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。
4、单击确定关闭结构组编辑窗口。
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。
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。
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。

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：

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第 3 步：S 参数提取
1、再次转到“对象树”窗口，然后选择纤维结构组。
2、右键单击所选组，然后在上下文菜单中选择“编辑对象”。
3、在编辑窗口的“属性”选项卡中，应存在最佳纤维位置 x。
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。
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
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”。

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：

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有关 s 参数提取的详细信息，请参阅此示例的附录部分。

步骤 4：创建紧凑模型
1、在 INTERCONNECT 中打开 grating_coupler.icp 文件。
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）。
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

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。

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重要模型设置

极化
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。

倾斜角度
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。

蚀刻深度
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。

基板
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。

间距
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：

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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。

结构组
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：

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优化品质因数（FOM）
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。

使用参数更新模型
·在全局端口设置中输入所需的源波长和目标带宽。
·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。
·根据您的测量设备更新光纤尺寸和折光率值。
·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。
·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。
·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。

CML 编译器的参数提取

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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。

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：

1、打开模拟文件 grating_coupler_3D.fsp 和脚本文件 grating_coupler_dataCMLCompiler.lsf。
2、运行脚本文件。
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。
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。

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进一步推广模型

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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。

参考文献

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。
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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