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

 

概述

 

 

本示例的目標是設計一個 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。此設計中的關鍵品質因數（FOM）是目標波長處的耦合效率。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。

 

 

這五個參數通常一起優化，以最大限度地提高目標中心波長的耦合效率。由于具有五個參數的暴力 3-D 優化非常耗時，因此此處使用 2-D 和 3-D 模型的組合進行兩階段優化，并且僅改變三個幾何參數。設計工作流程包括四個主要步驟。

 

1、初始 2-D 優化：優化光柵的間距 p、占空比 d 和光纖位置 x。

2、最終的 3-D 優化：優化光纖的位置 x 以最小化插入損耗。

3、S 參數提取：運行 S 參數掃描并將結果導出到數據文件。

4、緊湊的模型創建：將 S 參數數據導入光學 S 參數元素。

 

如下一節所示，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參數數據。

 

運行和結果

 

第 1 步：2D 優化

1、打開 2D 模擬文件。

2、進入“優化和掃描”窗口，打開名為“耦合效率優化”的優化項，查看優化設置。

3、查看設置后，關閉編輯窗口并運行優化。優化應在 10 到20分鐘內完成。如果您不想等待，請直接進入最后的 3D 優化步驟。

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

 

優化完成后，最佳參數結果也將在優化狀態窗口中顯示，如下所示。品質因數圖還顯示，由于優化，FOM 已最大化。

 

 

第 2 步：3D 優化

1、打開 3D 模擬文件。

2、轉到“對象樹”窗口，然后選擇光柵結構組。

3、右鍵單擊選定的結構組，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，您應該會看到來自 2D 優化的最佳光柵間距和占空比。

4、單擊確定關閉結構組編輯窗口。

5、現在，轉到“優化和掃描”窗口，然后選擇名為位置優化的優化項目。

6、運行選定的優化。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，請直接轉到 S 參數提取步驟。

7、優化完成后，可以檢索最佳光纖位置和預測的耦合效率。右鍵單擊位置優化項，然后選擇“可視化”，然后選擇“最佳參數”或“最佳fom”。最佳參數結果包含最佳光纖位置x，而最佳品質因數結果包含目標波長的耦合效率。

 

優化結束時的優化狀態窗口也可以提供如下所示的相同信息：

 

 

第 3 步：S 參數提取

1、再次轉到“對象樹”窗口，然后選擇纖維結構組。

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，應存在最佳纖維位置 x。

4、再次轉到“優化和掃描”窗口，選擇名為 S 參數的掃描項并運行掃描。掃描將啟動兩個模擬，應在大約半小時內完成。

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

6、要導出 S 參數結果，請右鍵單擊 S 參數掃描項，然后在上下文菜單中選擇“導出到互連”。在隨后的“導出到互連”窗口中，輸入數據文件的名稱和位置，然后單擊“保存”。

 

獲得的s參數光譜表明，在目標波長下功率耦合效率約為40%，如下圖所示：

 

 

有關 s 參數提取的詳細信息，請參閱此示例的附錄部分。

 

步驟 4：創建緊湊模型

1、在 INTERCONNECT 中打開 grating_coupler.icp 文件。

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

3、運行仿真并可視化輸入模式 1 的傳輸結果。將標量操作切換為“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參數功率傳輸相同。

 

 

重要模型設置

 

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光柵耦合器具有強極化選擇性。所提出的設計激發了TE模式，因為這是最常見的選擇，但是，也可以針對TM模式設置優化。

 

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設計。

 

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，則應將其包含在仿真中。基板將對光的耦合方式產生明顯影響，并且不能像其他器件設計中經常做的那樣省略。

 

間距

在最初的二維優化步驟中，如何為光柵間距選擇優化范圍并不明顯。假設蝕刻深度固定 he 和占空比 d  在 [0，1] 范圍內，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，p到有效索引 neff 光柵數量：

 

 

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無效。優化過程中為節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域的板坯模式的有效指標。這些指數可以通過特征模態求解器（如 FDE）獲得。最佳 p 值通常略大于布拉格條件預測的值。由于波導上的端口包含板坯模式的有效索引作為其結果之一，因此這種初始猜測很容易計算。

 

結構組

此處使用結構組來更新光柵和光纖的幾何基元。對光柵和纖維參數的任何更改都必須使用結構組的接口進行應用。使用結構組的優點是，它們可以將單個參數更改應用于多個基元，但是，它們也可以覆蓋對單個幾何圖形的手動更改。纖維結構組被設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用輕微旋轉并對對象使用“網格順序”設置來完成的，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構的索引配置文件來驗證，如下所示：

 

 

優化品質因數 （FOM）

由于設計的目的是在所需波長下實現最佳耦合，因此選擇優化品質因數作為通過耦合器在目標波長處的傳輸，優化算法將嘗試最大化該值。此品質因數由“模型”對象中的分析腳本計算。

 

使用參數更新模型

·在全局端口設置中輸入所需的源波長和目標帶寬。

·從模型對象的分析選項卡中選擇用于耦合效率優化的目標波長。

·根據您的測量設備更新光纖尺寸和折光率值。

·根據您的制造工藝和目標設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，調整端口大小。

·使用您選擇要優化的參數更新優化對象;選擇合適的參數范圍。

 

CML 編譯器的參數提取

 

 

本節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。我們假設光柵耦合器已經優化，因此僅執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 參數文件可以直接在 CML 編譯器中使用，為光柵耦合器創建緊湊模型。

 

提取光柵耦合器元件的S參數并使用它來構建光柵耦合器（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。有關運行CMLC構建緊湊模型的詳細信息，請聯系工作人員了解。

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

 

 

進一步推廣模型

 

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

2D 優化：通過將光柵的蝕刻深度和光纖的傾斜角度添加到優化參數列表中，可以改進初始 2D 優化步驟。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。根據設計目標，其他品質因數（例如整個頻譜上的平均傳輸率）也可用于優化。

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

錐度優化 ：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。耦合效率也可以通過優化錐形來提高（參見 SOI 錐度設計）。

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

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

高效光柵耦合器：在大帶寬下效率高于90%的耦合器采用 FDTD 設計，使用更復雜的光柵和混合2/3D優化策略。

 

參考文獻

 

1、基本光柵耦合器設計 ：D. Taillaert，F. 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之間耦合的光柵耦合器”，日本應用物理學雜志，第45卷，第8a期，第6071-6077頁，2006年。

2、高級優化 ：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：新設計策略的演示”，科學報告，文章編號：16670，2017。T. Watanabe，M. Ayata，U. Koch，Y. Fedoryshyn和J. Leuthold，“基于閃耀反反射結構的垂直光柵耦合器”，《光波技術雜志》，第35卷，第21期，第4663-4669頁，2017年。