引言

本文演示了一種將Synopsys OptoCompiler中開發的無源光子器件版圖導入Lumerical產品進行光路仿真的工作流程。該工作流程利用Ansys Lumerical MODE中的EME（特征模擴展）求解器進行光學仿真，利用Ansys Lumerical CML Compiler生成緊湊模型，并利用Ansys Lumerical INTERCONNECT進行光子電路設計和仿真。

此工作流程僅使用Synopsys產品即可提供一套內部解決方案，以應對光子集成電路設計中的復雜挑戰。在光子集成電路設計中，通常需要使用不同的工具來處理版圖設計、器件仿真和線路仿真。使用此工作流程，您可以在OptoCompiler中構建器件，使用Lumerical器件設計工具運行多物理場仿真，并利用CML Compiler構建用于INTERCONNECT線路仿真的模型，從而在版圖和設計之間架起一座強大的橋梁。

本文以OptoCompiler reference optical SOI（絕緣體上硅）PDK（工藝開發套件）中的無源1x2MMI（多模干涉儀）光子器件為例，展示了該工作流程。當然，您也可以根據具體應用場景，將此工作流程調整為使用您選擇的自定義無源光子器件和PDK。

所需許可證

• Synopsys OptoCompiler license
• Ansys Lumerical MODE license
• Ansys Lumerical CML Compiler license
• Ansys Lumerical INTERCONNECT license

壓縮包內容

本文附帶一個包含示例1x2MMI的軟件包，該示例來自OptoCompiler reference optical SOI PDK。您可以在此器件上使用這些文件來體驗工作流程，或根據您的需要進行自定義。

• roMMI1x2.gds–從OptoCompiler導出的GDS文件。
• referenceOpticalSOI.lbr–用于OptoCompiler光學SOI PDK的層構建器的工藝技術文件。
• MMI_EME_FDE_setup.lsf–配置和運行MODE仿真的設置腳本。
• roMMI1x2.lms–導入的1x2MMI的仿真文件。
• mmi.svg–器件的自定義符號文件。
• Compiled_roMMI1x2_model目錄–包含來自OptoCompiler reference optical SOI PDK的1x2MMI的已編譯INTERCONNECT模型的目錄。

工作流程概要

以下要點概述了每個步驟，下面的小節將更詳細地描述每個步驟：

• 步驟1–OptoCompiler導出
• 在此步驟中，OptoCompiler自帶的reference optical SOI PDK庫被導出為GDS文件“roMMI1x2.gds”。該GDS布局文件包含帶有層信息的二維幾何形狀，這些層信息可作為工藝技術數據的參考，Lumerical工具將在下一步中使用它們。
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• 步驟2–使用MODE導入和仿真3D結構
• 在此步驟中，使用Layer Builder工具導入SOI PDK的工藝技術文件“referenceOpticalSOI.lbr”以及上一步中的GDS文件。然后，使用Lumerical腳本在MODE中設置并運行仿真，并采用EME求解器。最后，生成仿真文件“roMM1x2.lms”。
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• 步驟3–S參數提取
• 在此步驟中，使用CML Compiler S-parameter data extraction wizard創建適合線路仿真的緊湊模型，該向導利用Lumerical Python API和CML Compiler。
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• 步驟4–INTERCONNECT仿真
• 在此步驟中，最終編譯的模型“lum_roMM1x2_gds”（由一個輸入和兩個輸出組成）在INTERCONNECT中以簡單的光子線路進行配置并使用ONA（光網絡分析儀）進行仿真。

詳細步驟

步驟1–OptoCompiler導出

按照以下步驟從OptoCompiler導出1x2MMI版圖。

1.在項目目錄中運行終端，并使用命令optocompiler打開OptoCompiler窗口。

2.雙擊“主頁”選項卡下“應用程序”組中的“庫管理器”圖標，打開“庫管理器”選項卡。

3.點擊“庫管理器”選項卡下下拉菜單中的“文件->庫定義編輯器”選項，打開“庫定義”選項卡。

4.單擊下一個空白定義行中的語句列，輸入條目“DEFINE”，然后添加“referenceOpticalSOI”PDK庫的路徑，該庫位于OptoCompiler安裝目錄中，如下所示。輸入此值后保存定義。下面的屏幕截圖提供了一個示例路徑。

5.在庫管理器中，找到庫“referenceOpticalSOI”和單元“roMMI1x2”，雙擊視圖“layout”打開其版圖。

版圖如下所示：

6.點擊“庫管理器”選項卡下下拉菜單中的“文件”->“導出”->“Stream”選項，打開“Export Stream”窗口。

7.在Export Stream窗口的主選項卡下的輸入框的下拉菜單中選擇并單擊“referenceOpticalSOI”庫選項，以設置庫選項。

8.單擊“主選項卡”下“輸入框中的查看輸入字段”旁邊的文件夾圖標，打開“選擇Cellview”窗口。

9.分別選擇并單擊Libraries,Cell Categories,Cells和Views選項為“referenceOpticalSOI”,“All”,“roMMI1x2”和“layout”，然后單擊“確定”按鈕來設置這些選項。

10.如有必要，請更新“Export Stream”窗口“主”選項卡下“輸出”框中的Run Directory和Stream File名條目。

11.單擊“確定”按鈕導出GDS文件“roMMI1x2.gds”。該文件將保存在之前選擇的運行目錄中。

導出現已完成，您現在可以驗證導出的GDS文件是否位于項目目錄中，然后繼續進行下一步。

步驟2–使用MODE導入和仿真3D結構

請按照以下步驟將結構導入MODE。此過程使用Layer Builder實用程序，根據上一步導出的GDS文件并將其與process文件結合，來設置用于仿真的幾何體。

1.打開Ansys Lumerical MODE。

2.點擊頂部下拉菜單中的“文件”->“工作目錄”選項，打開“選擇新工作目錄”窗口，然后選擇上一步中導出.gds文件的項目目錄。點擊“選擇”確認選擇并關閉此窗口。

3.單擊工具欄下拉菜單中的Build圖標或Build->Layer Builder圖標，即可創建Layer Builder模型對象。

4.在對象樹中右鍵單擊Layer Builder對象，然后選擇“編輯”，即可打開其選項窗口。這將打開一個新窗口，供您導入版圖和process文件。

5.在圖層構建器窗口中單擊“導入工藝文件”按鈕，找到OptoCompiler reference optical SOI工藝技術文件“referenceOpticalSOI.lbr”，即可導入工藝文件。

6.如有必要，請在Layer Builder窗口的Layers框中調整工藝技術屬性。

7.單擊布局框中的“導入GDS文件”按鈕導入GDS文件，找到上一步導出的“roMMI1x2.gds”文件，導入2D版圖。

8.調整Layer Builder窗口中的Background Geometry和GDS Pattern Reference Frame，以重新定位和修改導入的3D結構。在本示例中，請使用以下設置：

• Background Geometry box:
• x span:200μm
• y span:200μm
• Patternre ference frame box:
• View:Centered at custom coordinates
• x:-20μm
• y:0μm

9.按OK完成設置并將項目文件保存為“roMMI1x2.lms”。

器件導入現已完成，您可以繼續進行下一步，即設置和運行仿真。

仿真器件

請按照以下步驟在MODE中運行仿真，為提取S參數做好準備。在本工作流程中，該過程通過使用軟件包中的Lumerical腳本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”實現自動化。

請按照以下步驟運行腳本文件。

1.在腳本文件編輯器中，打開項目后，使用“打開”按鈕打開腳本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”。

2.點擊運行按鈕運行腳本。該腳本文件會清理仿真和掃描環境，然后添加各種對象，例如EME求解器、EME單元、EME端口、網格和監視器。它還會創建參數掃描，運行掃描并保存模型文件。下面的屏幕截圖顯示了仿真文件的最終狀態。

仿真運行現已完成，您現在可以進行下一步，從仿真文件中提取S參數。

步驟3–S參數提取

工作流程的這一步驟利用CML-Compiler S-parameter data collection wizard，從上一步生成的仿真文件中提取S參數緊湊模型。

以下說明僅提供與此工作流程中的MMI示例相關的信息以及步驟的簡要描述。有關如何使用向導以及特定設置含義的更多信息和詳細說明，請參閱S-parameter data collection wizard page。

相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/45266900204563-S-parameter-Fixed-data-collection-wizard

1.下載并運行數據收集向導。

2.在第一頁，加載步驟2中生成的仿真文件，并填寫以下基本信息。以下信息必須與之前生成的仿真文件一致：

• 一個與波長掃描參數名稱和計數相匹配的注釋屬性值。
• QA波長范圍與波長掃描范圍相匹配。
• 與S參數掃描匹配的S參數掃描名稱

3.選擇上一步生成的仿真文件。

4.在第二頁，按如下方式填寫單元信息，您可以選擇包含的1x2MMI圖標。

在此步驟中，請確保CML編譯器路徑指向您的CML編譯器可執行文件。本文附帶的軟件包中提供了一個自定義圖標。

在Windows系統中，它默認位于以下目錄中：

5.按“執行”按鈕編譯模型。

編譯后的模型位于S-parameter data collection wizard的/wizard/目錄中，可用于下一步操作。附件軟件包還在“Compiled_roMMI1x2_model”目錄中提供了一個預編譯的1x2MMI模型。

作為替代方案，您還可以按照S-parameter data collection wizard page中的說明，將此模型添加到您自己的主JSON文件中，并在繼續下一步之前編譯該庫。

相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/45266900204563-S-parameter-Fixed-data-collection-wizard

步驟4–INTERCONNECT仿真

在此步驟中，將使用上一步生成的緊湊模型進行INTERCONNECT仿真。要將該模型添加到Element庫中，您需要將custom element文件夾重定向到模型生成位置，或者添加包含該組件的CML文件。

您只需執行以下選項之一。如果您完全沒有使用過CML編譯器，而只是使用了數據收集向導，請按照選項1操作。

選項1-通過重定向Custom文件夾添加器件

按照以下步驟，通過重定向custom文件夾，將上一步生成的緊湊模型添加到Element庫中。

1.Open Ansys Lumerical INTERCONNECT。

2.在Element庫中右鍵單擊Custom文件夾，然后按“重定向”。

3.選擇已編譯的緊湊模型所在的文件夾。緊湊模型的文件擴展名為.x.ice。對于1x2MMI示例，已編譯的緊湊模型位于S-parameter data collection wizard的/wizard/文件夾中，預編譯版本也可在附件包的“Compiled_roMMI1x2_model”目錄中找到。

現在您可以將導出的器件添加到INTERCONNECT并繼續進行仿真。

選項2-通過安裝CML添加器件

請按照以下步驟，通過安裝已編譯的CML文件，將生成的緊湊模型添加到Element庫中。對于1x2MMI示例，您需要將其添加到您自己的主JSON文件中，并運行CML編譯器編譯CML文件，然后再按照以下步驟將自定義器件添加到INTERCONNECT。

1.Open Ansys Lumerical INTERCONNECT。

2.在Element庫中右鍵單擊Design Kits文件夾，然后在Element庫面板的下拉菜單中左鍵單擊“安裝”選項，打開“選擇緊湊模型庫包和定義文件夾”窗口。

3.單擊“緊湊模型庫包”輸入字段旁邊的省略號按鈕“…”打開“安裝緊湊模型庫”窗口，然后選擇foundry template目錄中的CML文件“lumfoundry_template.cml”。

現在您可以將導出的器件添加到INTERCONNECT并繼續進行仿真。

運行INTERCONNECT仿真

將器件添加到INTERCONNECT后，請按照以下步驟對1x2MMI器件運行示例仿真。線路原理圖如下所示，原理圖后附有說明。

1.在INTERCONNECT原理圖中添加器件緊湊模型和ONA元件。按如下方式設置ONA元件：

• 將輸入端口數設置為2。
• 設置波長范圍以匹配之前在MODE中進行的s參數矩陣掃描。

2.保存項目。

3.將1x2MMI的端口1連接到ONA的輸出端口，將1x2MMI的端口2和3連接到ONA的輸入端口。

4.點擊側邊工具欄中的“運行仿真”圖標來運行仿真。

5.右鍵單擊ONA并選擇“顯示結果”來查看結果。可視化窗口中將顯示1x2MMI功率增益頻譜圖。

模型設置

本示例工作流程中使用了以下重要模型設置。

• 在MODE模式下，Layer Builder使用來自工藝技術文件的圖層位置、幾何形狀和variation數據，以及來自GDS文件的圖層和幾何形狀，共同構建3D結構。
• 在S-parameter CML wizard中，S參數掃描條目需要與仿真模型文件中的相應波長掃描參數名稱“wavelength”,count“11”、范圍從“1.5e-6”m到“1.6e-6”m以及掃描名稱“sweep_s_parameter_matrix”對齊。
• S-parameter CML wizard在這些條目更新后，會在相應的QA、仿真文件和仿真設置框中記住波長范圍、S參數掃描名稱和CML編譯器路徑條目。
• 在S-parameter CML wizard中，如果您使用庫模式選項“Add to Existing CML Database”，則需要運行CML編譯器手動生成緊湊模型并將其加載到INTERCONNECT求解器中。
• S參數CML向導僅支持SVG圖像作為element圖標（符號）。

定制模型

請使用以下信息進一步客制化此工作流程以滿足您的需求：

• 您可以自定義工作流程，從OptoCompiler reference optical SOI PDK庫或您自己的設計中導出其他無源光子元件版圖，然后仿真這些光子元件。
• 文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”中的Lumerical腳本是為OptoCompiler W-2024.09 Reference Optical SOI v3.1.0 PDK庫中的光子元件“roMMI1x2”開發的。您可以自定義Lumerical腳本以使其適用于其他光子元件。
• OptoCompiler W-2024.09 Reference Optical SOI v3.1.0 PDK庫提供了OptoCompiler reference optical SOI工藝技術文件“referenceOpticalSOI.lbr”。如果您想使用自己的工藝技術文件，請參閱Layer Builder知識庫頁面。