本文將設(shè)計(jì)一個(gè)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）

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概述

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本示例的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè) 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(jì)中的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（FOM）是目標(biāo)波長(zhǎng)處的耦合效率。耦合效率對(duì)光柵的間距高度敏感p，蝕刻長(zhǎng)度le和蝕刻深度he以及光纖的位置x和傾斜角度θ。

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這五個(gè)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(zhǎng)的耦合效率。由于具有五個(gè)參數(shù)的暴力 3-D 優(yōu)化非常耗時(shí)，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€(gè)幾何參數(shù)。設(shè)計(jì)工作流程包括四個(gè)主要步驟。

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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)提取：運(yùn)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。

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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。

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使用 CML 編譯器生成緊湊模型

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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)。

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運(yùn)行和結(jié)果

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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(xiàng)，查看優(yōu)化設(shè)置。

3、查看設(shè)置后，關(guān)閉編輯窗口并運(yùn)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(qǐng)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(xiàng)，然后在上下文菜單中選擇“可視化”，然后選擇“最佳參數(shù)”。

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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。

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第 2 步：3D 優(yōu)化

1、打開 3D 模擬文件。

2、轉(zhuǎn)到“對(duì)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(duì)象”以打開編輯窗口。在編輯窗口的“屬性”選項(xiàng)卡中，您應(yīng)該會(huì)看到來(lái)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(xiàng)目。

6、運(yùn)行選定的優(yōu)化。這將需要幾個(gè)小時(shí)，因?yàn)樗心M都是3D的。如果您不想等待，請(qǐng)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(cè)的耦合效率。右鍵單擊位置優(yōu)化項(xiàng)，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(zhǎng)的耦合效率。

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

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第 3 步：S 參數(shù)提取

1、再次轉(zhuǎn)到“對(duì)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(duì)象”。

3、在編輯窗口的“屬性”選項(xiàng)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(xiàng)并運(yùn)行掃描。掃描將啟動(dòng)兩個(gè)模擬，應(yīng)在大約半小時(shí)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(qǐng)右鍵單擊 S 參數(shù)掃描項(xiàng)，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(qǐng)右鍵單擊 S 參數(shù)掃描項(xiàng)，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”。

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

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

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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(yùn)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

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在互連中測(cè)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。

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重要模型設(shè)置

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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(duì)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(jì)激發(fā)了TE模式，因?yàn)檫@是最常見的選擇，但是，也可以針對(duì)TM模式設(shè)置優(yōu)化。

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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(shí)傾斜。這種傾斜可防止反射到光纖中。為簡(jiǎn)單起見，這里采用了固定的傾斜角度，但是，可以通過(guò)允許其變化來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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蝕刻深度

耦合效率對(duì)光柵的間距、占空比和刻蝕深度高度敏感。為簡(jiǎn)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。

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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?duì)光的耦合方式產(chǎn)生明顯影響，并且不能像其他器件設(shè)計(jì)中經(jīng)常做的那樣省略。

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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(lái)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：

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λ0是中心波長(zhǎng)，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(qǐng)注意，此關(guān)系假定頂部包層和核心之間的折射率對(duì)比度最小，并且對(duì)于高折射率對(duì)比度系統(tǒng)無(wú)效。優(yōu)化過(guò)程中為節(jié)距選擇的范圍可以通過(guò)考慮以下兩個(gè)極值來(lái)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(guò)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(cè)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(cè)很容易計(jì)算。

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結(jié)構(gòu)組

此處使用結(jié)構(gòu)組來(lái)更新光柵和光纖的幾何基元。對(duì)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(diǎn)是，它們可以將單個(gè)參數(shù)更改應(yīng)用于多個(gè)基元，但是，它們也可以覆蓋對(duì)單個(gè)幾何圖形的手動(dòng)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(guò)對(duì)組中的對(duì)象應(yīng)用輕微旋轉(zhuǎn)并對(duì)對(duì)象使用“網(wǎng)格順序”設(shè)置來(lái)完成的，以便光纖僅向下延伸到光柵耦合器上方的某個(gè)點(diǎn)，而不是像布局視圖中可能描述的那樣完全穿過(guò)光纖。這可以通過(guò)可視化結(jié)構(gòu)的索引配置文件來(lái)驗(yàn)證，如下所示：

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優(yōu)化品質(zhì)因數(shù) （FOM）

由于設(shè)計(jì)的目的是在所需波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)最佳耦合，因此選擇優(yōu)化品質(zhì)因數(shù)作為通過(guò)耦合器在目標(biāo)波長(zhǎng)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(duì)象中的分析腳本計(jì)算。

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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(zhǎng)和目標(biāo)帶寬。

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

·根據(jù)您的測(cè)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(jì)偏振修改折射率值和層厚度。

·驗(yàn)證兩個(gè)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(duì)象;選擇合適的參數(shù)范圍。

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CML 編譯器的參數(shù)提取

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本節(jié)介紹如何使用腳本文件自動(dòng)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。

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提取光柵耦合器元件的S參數(shù)并使用它來(lái)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：

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

2、運(yùn)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(yùn)行CMLC構(gòu)建緊湊模型的詳細(xì)信息，請(qǐng)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。

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進(jìn)一步推廣模型

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S 參數(shù)：S 參數(shù)提取步驟僅針對(duì)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(shí)選擇 TE 和 TM 模式，然后重新運(yùn)行 S 參數(shù)掃描。此更改將為 S 參數(shù)掃描添加一個(gè)額外的仿真和一個(gè)額外的結(jié)果。

2D 優(yōu)化：通過(guò)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(zhǎng)處。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，其他品質(zhì)因數(shù)（例如整個(gè)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(guò)包含多個(gè)優(yōu)化參數(shù)來(lái)改進(jìn)。也可以完全繞過(guò)二維優(yōu)化步驟，使用 2-D 模型優(yōu)化所有五個(gè)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(shí)間，但可以提高最終設(shè)計(jì)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(diǎn)的集成波導(dǎo)。耦合效率也可以通過(guò)優(yōu)化錐形來(lái)提高（參見 SOI 錐度設(shè)計(jì)）。

并行化 ：如果您有權(quán)訪問(wèn)計(jì)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(shí)間，因?yàn)榻o定優(yōu)化生成的所有模擬都可以在單獨(dú)的機(jī)器上獨(dú)立運(yùn)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(jì)，使用更復(fù)雜的光柵和混合2/3D優(yōu)化策略。

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參考文獻(xiàn)

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1、基本光柵耦合器設(shè)計(jì)?：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(yè)，2006年。

2、高級(jí)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(jì)策略的演示”，科學(xué)報(bào)告，文章編號(hào)：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(yè)，2017年。