耦合器的案例
【Lumerical系列】用于增強(qiáng)耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
<p>本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設(shè)計(jì)，以提高垂直入射條件下的耦合效率<sup>[1]</sup>。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準(zhǔn)，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p><br></p><p>從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰(zhàn)。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準(zhǔn)公差以及無需表面拋光等優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統(tǒng)的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應(yīng)用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統(tǒng)光柵耦合器由于角度對準(zhǔn)所占據(jù)更多的空間。</p><p><br></p><p><strong>研究現(xiàn)狀</strong></p><p>現(xiàn)有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)。例如，圖1（a）中的結(jié)構(gòu)采用階梯型光柵<sup>[2]</sup>來實(shí)現(xiàn)非對稱衍射，打破光柵區(qū)域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的光柵結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示<sup>[3]</sup>，這些逆向設(shè)計(jì)方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強(qiáng)耦合效率性能，但也面臨制造的復(fù)雜性及容差等問題。
展開 Lumerical系列|用于增強(qiáng)耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設(shè)計(jì)，以提高垂直入射條件下的耦合效率。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準(zhǔn)，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。
引言
從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰(zhàn)。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準(zhǔn)公差以及無需表面拋光等優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統(tǒng)的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應(yīng)用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統(tǒng)光柵耦合器由于角度對準(zhǔn)所占據(jù)更多的空間。
研究現(xiàn)狀
現(xiàn)有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)。例如，圖1（a）中的結(jié)構(gòu)采用階梯型光柵來實(shí)現(xiàn)非對稱衍射，打破光柵區(qū)域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的光柵結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示，這些逆向設(shè)計(jì)方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強(qiáng)耦合效率性能，但也面臨制造的復(fù)雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結(jié)構(gòu)。（a）階梯型光柵；（b）逆向設(shè)計(jì)型光柵
工作原理及仿真結(jié)果
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該器件是由SOI切趾的光柵耦合器，包層和柱面微透鏡組成。其中，包層不僅可以保護(hù)光柵，還可以幫助控制入射光的角度。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進(jìn)行背景介紹，闡述了其工作機(jī)理，并總結(jié)了其性能指標(biāo)。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)芯片是目前光通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，得益于其與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時(shí)需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導(dǎo)與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導(dǎo)的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進(jìn)而產(chǎn)生較大的插入損耗。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關(guān)性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結(jié)構(gòu)是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導(dǎo)，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導(dǎo)相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當(dāng)大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當(dāng)錐形寬度變大時(shí)，它可以支持整個(gè)模式，并將電磁場整體限制在錐形內(nèi)部?？偟膩碚f，基于其窄尖端對準(zhǔn)光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉(zhuǎn)換為光子波導(dǎo)中壓縮的導(dǎo)模。
展開 詳解光耦合器是什么
當(dāng)輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換，也叫做光隔離。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。
光電耦合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換器件。
光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105～106Ω。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。
光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。
光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時(shí)，也不會損壞儀表。因?yàn)楣?em>耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。
光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有10μs左右，適于對回應(yīng)速度要求很高的場合。
推薦兩款由工采網(wǎng)代理的來自臺灣美祿的光耦合器，首先是光耦 - MPH-314,MPH-314系列光耦合器非常適合驅(qū)動電源逆變器和用于電機(jī)控制的逆變器和MOSFET。它包含一個(gè)LED光學(xué)耦合到一個(gè)具有功率輸出級的集成電路。光耦合器在-40°C~+110°C的溫度范圍內(nèi)保證其工作參數(shù)。
最后是光耦 - MPH-341,MPH-341系列光耦合器非常適合驅(qū)動逆變器和用于電機(jī)控制逆變器和逆變器。它包含一個(gè)砷化鋁鎵LED光學(xué)耦合到一個(gè)具有功率輸出級的集成電路。
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【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進(jìn)行背景介紹，闡述了其工作機(jī)理，并總結(jié)了其性能指標(biāo)。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分類和簡述。
背景介紹
基于絕緣體上硅（SOI）結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)芯片是目前光通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，得益于其與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時(shí)需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導(dǎo)與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導(dǎo)的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進(jìn)而產(chǎn)生較大的插入損耗。因此，有效的光纖-芯片耦合是提高整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。
光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3 dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關(guān)性。
圖1 光纖與光子芯片互連原理圖。（a）光柵耦合器；（b）端面耦合器
工作原理
端面耦合器最常用的結(jié)構(gòu)是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導(dǎo)，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導(dǎo)相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當(dāng)大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當(dāng)錐形寬度變大時(shí)，它可以支持整個(gè)模式，并將電磁場整體限制在錐形內(nèi)部?？偟膩碚f，基于其窄尖端對準(zhǔn)光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉(zhuǎn)換為光子波導(dǎo)中壓縮的導(dǎo)模。
展開 OptiBPM教程4：創(chuàng)建一個(gè)多模干涉星型耦合器
本課程描述了如何創(chuàng)建一個(gè)MMI星型耦合器。該星型耦合器是對簡單MMI耦合器(教程2：創(chuàng)建一個(gè)簡單多模干涉星型（下文簡稱為MMI）耦合器)的進(jìn)一步改進(jìn)。它是由一個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)MMI耦合器以及四個(gè)輸出波導(dǎo)組成。步驟如下：
定義MMI星型耦合器的材料
定義布局設(shè)置
創(chuàng)建MMI星形耦合器
運(yùn)行模擬
查看最大值
繪制輸出波導(dǎo)
為輸出波導(dǎo)分配路徑
在OptiBPM_Analyzer中查看仿真結(jié)果
添加輸出波導(dǎo)并查看新的仿真結(jié)果
在OptiBPM_Analyzer中查看新的仿真結(jié)果
1.定義MMI星型耦合器的材料
要定義單向彎曲器件的材料，請執(zhí)行以下步驟。
2.定義布局設(shè)置
要定義布局設(shè)置，請執(zhí)行以下步驟。
3.創(chuàng)建一個(gè)MMI星型耦合器
由于MMI星形耦合器中有四個(gè)輸出通道，因此需要找到在教程2(教程2：創(chuàng)建一個(gè)簡單的MMI耦合器)中的簡單MMI耦合器所產(chǎn)生的四個(gè)最大強(qiáng)度的位置。如教程2中所述，這個(gè)位置在MMI耦合器中的第二個(gè)波導(dǎo)大約1180-1210μm的地方。
要?jiǎng)?chuàng)建MMI星型耦合器并找到所需耦合的相關(guān)耦合器長度，請執(zhí)行以下步驟。
4.插入輸入平面
要插入輸入平面，請執(zhí)行以下步驟。
5.運(yùn)行仿真
要運(yùn)行仿真，請執(zhí)行以下步驟。
6.查看最大值
查看最大值，請執(zhí)行以下步驟。
7.繪制輸出波導(dǎo)
輸出波導(dǎo)必須在將第二波導(dǎo)的起始點(diǎn)連接到強(qiáng)度最大值的線上。
要繪制輸出波導(dǎo)，請執(zhí)行以下步驟。
8.為輸出波導(dǎo)分配路徑
要為輸出波導(dǎo)分配路徑，請執(zhí)行以下步驟。
展開 光耦合器的工作原理和作用
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。
光耦的作用:
(1) 在邏輯電路上的應(yīng)用光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。
(2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用 在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn)。
(3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問題。
(4) 在脈沖放大電路中的應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。
(5) 在線性電路上的應(yīng)用 線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。
(6) 特殊場合的應(yīng)用 光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D電路等多種場合。
光耦的主要作用就是隔離作用，如信號隔離或光電的隔離。隔離能起到保護(hù)的作用，如一邊是微處理器控制電路，另一邊是高電壓執(zhí)行端，如市電啟動的 電機(jī)，電燈等等，就可以用光耦隔離開。當(dāng)兩個(gè)不同的型號的光耦只有負(fù)載電流不同時(shí)，可以用大的負(fù)載電流的光耦代替小負(fù)載電流的光耦。
推薦兩款由工采網(wǎng)代理的來自臺灣美祿的光耦合器，首先是光耦 - MPC816，MPC816系列將砷化鋁鎵紅外發(fā)射二極管作為發(fā)射極，該二極管光學(xué)耦合到塑料DIP4封裝中的硅平面光電晶體管探測器，具有不同的鉛形成選項(xiàng)。MPC816系列具有堅(jiān)固的共面雙模子結(jié)構(gòu)，具有最穩(wěn)定的隔離特性。
展開 光電耦合器的工作原理以及應(yīng)用
最后是光耦 - MPH-341,MPH-341系列光耦合器非常適合驅(qū)動逆變器和用于電機(jī)控制逆變器和逆變器。它包含一個(gè)砷化鋁鎵LED光學(xué)耦合到一個(gè)具有功率輸出級的集成電路。3.0A峰值輸出電流能夠直接驅(qū)動最高額定值高達(dá)1200 V/200 A的大多數(shù)IGBT。對于具有較高額定值的IGBT，MPH-341系列可用于驅(qū)動驅(qū)動IGBT門的離散功率級。光耦合器在-40°C~+110°C的溫度范圍內(nèi)保證其工作參數(shù)。
光耦合器屬光電器件中之一環(huán)，系一發(fā)光及受光元件的組合體，借由光的傳輸達(dá)到導(dǎo)通的要求，為一理想的絕緣體，因此在許多電子電器產(chǎn)品上，皆采用此器件作為【高壓隔離】用途。發(fā)光器件通常為發(fā)光二極體，受光器件通常在低階產(chǎn)品為光二級管/光三級管/光晶閘管，高階產(chǎn)品為光耦合積體電路。
臺灣美祿在光耦合器領(lǐng)域頗有建樹，技術(shù)以及產(chǎn)品方面已經(jīng)很完善，如果想了解更多光耦合器的技術(shù)資料，歡迎致電聯(lián)系：133 9280 5792(微信同號)
展開 [Optiwave] OptiBPM：創(chuàng)建一個(gè)多模干涉星型耦合器
本課程描述了如何創(chuàng)建一個(gè)MMI星型耦合器。該星型耦合器是對簡單MMI耦合器(教程2：創(chuàng)建一個(gè)簡單多模干涉星型（下文簡稱為MMI）耦合器)的進(jìn)一步改進(jìn)。它是由一個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)MMI耦合器以及四個(gè)輸出波導(dǎo)組成。步驟如下：
? 定義MMI星型耦合器的材料
? 定義布局設(shè)置
? 創(chuàng)建MMI星形耦合器
? 運(yùn)行模擬
? 查看最大值
? 繪制輸出波導(dǎo)
? 為輸出波導(dǎo)分配路徑
? 在OptiBPM_Analyzer中查看仿真結(jié)果
? 添加輸出波導(dǎo)并查看新的仿真結(jié)果
? 在OptiBPM_Analyzer中查看新的仿真結(jié)果
1. 定義MMI星型耦合器的材料
要定義單向彎曲器件的材料，請執(zhí)行以下步驟。
步驟 操作
1) 創(chuàng)建一個(gè)介電材料：
名稱：guide
相對折射率(Re)：3.3
2) 創(chuàng)建第二個(gè)介電材料
名稱： cladding
相對折射率(Re)：3.27
3) 點(diǎn)擊保存來存儲材料
4) 創(chuàng)建以下通道：
名稱：channel
二維剖面定義材料: guide
5 點(diǎn)擊保存來存儲材料。
2. 定義布局設(shè)置
要定義布局設(shè)置，請執(zhí)行以下步驟。
步驟 操作
1) 鍵入以下設(shè)置。
a. Waveguide屬性：
寬度：2.8
配置文件：channel
b. Wafer尺寸：
長度：1420
寬度：60
c. 2D晶圓屬性：
材質(zhì)：cladding
2) 點(diǎn)擊OK，將此設(shè)置應(yīng)用到布局中。
3.
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器2丨十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第二期。本期主要基于一種十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的端面耦合器進(jìn)行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導(dǎo)的寬度和波導(dǎo)之間的距離以及劈尖波導(dǎo)的長度和相對位置進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。
背景介紹
隨著光芯片制造工藝中套刻技術(shù)的發(fā)展和三維波導(dǎo)制造工藝的不斷完善，多層波導(dǎo)的制造工藝需求逐步被滿足，目前越來越多的研究聚焦于高折射率、小截面尺寸的波導(dǎo)。其中 在光通信波段具有透明窗口和低溫度敏感性，且工藝與CMOS高度兼容，其在硅光體系中得到了廣泛的應(yīng)用。 薄膜的沉積工藝和刻蝕工藝十分成熟，其折射率略大于 和SiON，它對光場的約束能力介于Si波導(dǎo)和 包層之間，因此成為基于高折射率、小截面尺寸波導(dǎo)的端面耦合器設(shè)計(jì)中最具潛力的材料之一。
2021年，Sun 等提出了采用5根 波導(dǎo)的端面耦合器結(jié)構(gòu)，其與模場直徑為8.2 μm的光纖的耦合損耗達(dá)0.44 dB。傳統(tǒng)SOI波導(dǎo)一般位于芯片波導(dǎo)區(qū)的最底層，而在其設(shè)計(jì)中，底層的 波導(dǎo)低于SOI波導(dǎo)，使得制備難度很大。2022年，Liang等 采用對 包層進(jìn)行高折射率摻雜以及對 包層進(jìn)行深刻蝕的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間的耦合，耦合損耗同樣低于1 dB。2023年，Yu 和He 等人僅用1層 波導(dǎo)且不對 包層進(jìn)行高折射率摻雜和深刻蝕的端面耦合器，分別在鈮酸鋰波導(dǎo)體系和三五族波導(dǎo)體系中完成了光纖耦合，其耦合損耗分別達(dá)到了0.75 dB和1.175 dB。而本期文章我們要分析的是一種基于十字型 波導(dǎo)的異質(zhì)多芯SOI波導(dǎo)端面耦合器 ，實(shí)現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。
展開 用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器
本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的多尺度仿真工作流程。光與光柵耦合器在微觀上的相互作用使用 Ansys Lumerical 進(jìn)行仿真，而 Ansys Zemax OpticStudio 則用于宏觀傳播和公差分析。此示例的工作流由四個(gè)步驟組成。前兩個(gè)步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個(gè)步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個(gè)方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻(xiàn)，以及對光纖橫向偏移的公差分析。
一、概述
由于模式失配以及對光纖和波導(dǎo)之間的錯(cuò)位高度敏感，高效的光纖-波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，復(fù)雜的耦合器設(shè)計(jì)涉及光與微觀及宏觀結(jié)構(gòu)相互作用。在不同尺度級別上對這些復(fù)雜的相互作用進(jìn)行仿真和優(yōu)化對于耦合器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在本文中，我們介紹了一種多尺度的仿真工作流，利用 Ansys Lumerical 和 Ansys Zemax OpticStudio 之間的互操作性來設(shè)計(jì)耦合器。在可以解決高效耦合器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的各種耦合機(jī)制中，我們提出了一種帶有光柵耦合器的解決方案，其中在光柵上方添加微透鏡以提高光纖對準(zhǔn)的公差。工作流劃分如下：
第 1 步：使用 Lumerical 進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
對于設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，假設(shè)我們有一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的光柵。有關(guān)如何優(yōu)化光柵以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與光纖耦合的更多詳細(xì)信息，請參閱文章Lumerical 針對 Grating coupler 的仿真分析方法。
Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于計(jì)算光柵輸出端的電場。然后將結(jié)果導(dǎo)出到 .zbf 文件中。
第 2 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
步驟 1 中的 .zbf 文件被導(dǎo)入 OpticStudio 中，用于將光進(jìn)一步傳播到光學(xué)系統(tǒng)中。
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案例分享 | Lumerical助力CompoundTek光柵耦合器面積大幅縮減
對兩種光柵耦合器的原始設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)的插入損耗進(jìn)行對比，并采用2D FDTD開展仿真
在AWS EC2上使用Lumerical的PID流程，成功開發(fā)的新型SiPh光柵耦合器，其器件面積比CompoundTek的現(xiàn)有耦合器小20倍，性能預(yù)計(jì)也會有所改善。為實(shí)現(xiàn)上述成果，PID流程經(jīng)配置后，可在具有超過50多項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的FDTD中自動優(yōu)化光柵耦合器的參數(shù)化2D模型。優(yōu)化目標(biāo)是在整個(gè)頻帶上最大限度地降低損耗，同時(shí)把強(qiáng)制的特性約束控制在最低水平，以確?？芍圃煨?。圖2為在C頻段和O頻段的TE模式下，優(yōu)化設(shè)計(jì)后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預(yù)計(jì)性能與原始設(shè)計(jì)相當(dāng)，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經(jīng)優(yōu)化的耦合器的預(yù)計(jì)性能有所提高，在1310-nm處的損耗為-2.4dB。對于CompoundTek的客戶而言，在提升耦合器性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)如此大幅度的面積縮減是難能可貴的，因?yàn)檫@樣有望降低制造成本。
通過在AWS EC2上開發(fā)設(shè)計(jì)PID，生成和優(yōu)化光柵耦合器設(shè)計(jì)所需的時(shí)間被縮短到兩周，其中包括配置和啟動云資源所需的時(shí)間。利用Lumerical應(yīng)用庫中提供的2D光柵耦合器示例作為參考設(shè)計(jì)并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能生成備選設(shè)計(jì)。
兩周后，CompoundTek獲得了8種可制造變量的最佳設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)的尺寸顯著小于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，且在整個(gè)頻段上性能更佳，特別是在O頻段的性能也有顯著提高。
完成為期兩周的設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需的計(jì)算總成本約為250美元，這是通過利用EC2的spot pricing（競價(jià)實(shí)例）實(shí)現(xiàn)的。通過在AWS上完成該項(xiàng)目，避免了部署和維護(hù)本地計(jì)算資源等大量前期成本、可能的延誤和后續(xù)維護(hù)成本。
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對兩種光柵耦合器的原始設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)的插入損耗進(jìn)行對比，并采用2D FDTD開展仿真
在AWS EC2上使用Lumerical的PID流程，成功開發(fā)的新型SiPh光柵耦合器，其器件面積比CompoundTek的現(xiàn)有耦合器小20倍，性能預(yù)計(jì)也會有所改善。為實(shí)現(xiàn)上述成果，PID流程經(jīng)配置后，可在具有超過50多項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的FDTD中自動優(yōu)化光柵耦合器的參數(shù)化2D模型。優(yōu)化目標(biāo)是在整個(gè)頻帶上最大限度地降低損耗，同時(shí)把強(qiáng)制的特性約束控制在最低水平，以確保可制造性。圖2為在C頻段和O頻段的TE模式下，優(yōu)化設(shè)計(jì)后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預(yù)計(jì)性能與原始設(shè)計(jì)相當(dāng)，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經(jīng)優(yōu)化的耦合器的預(yù)計(jì)性能有所提高，在1310-nm處的損耗為-2.4dB。對于CompoundTek的客戶而言，在提升耦合器性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)如此大幅度的面積縮減是難能可貴的，因?yàn)檫@樣有望降低制造成本。
通過在AWS EC2上開發(fā)設(shè)計(jì)PID，生成和優(yōu)化光柵耦合器設(shè)計(jì)所需的時(shí)間被縮短到兩周，其中包括配置和啟動云資源所需的時(shí)間。利用Lumerical應(yīng)用庫中提供的2D光柵耦合器示例作為參考設(shè)計(jì)并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能生成備選設(shè)計(jì)。
兩周后，CompoundTek獲得了8種可制造變量的最佳設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)的尺寸顯著小于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，且在整個(gè)頻段上性能更佳，特別是在O頻段的性能也有顯著提高。
完成為期兩周的設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需的計(jì)算總成本約為250美元，這是通過利用EC2的spot pricing（競價(jià)實(shí)例）實(shí)現(xiàn)的。通過在AWS上完成該項(xiàng)目，避免了部署和維護(hù)本地計(jì)算資源等大量前期成本、可能的延誤和后續(xù)維護(hù)成本。
展開 Ansys Lumerical | FDTD 應(yīng)用：設(shè)計(jì)光柵耦合器
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）
概述
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(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。
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。
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。
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(shù)數(shù)據(jù)。
運(yùn)行和結(jié)果
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。
展開 OptiSystem與OptiBPM的聯(lián)合使用：MMI耦合器性能評估
在這里，我們首先在OptiBPM中設(shè)計(jì)了一個(gè)MMI耦合器，然后在OptiSystem中使用它來構(gòu)建DPSK解調(diào)器。
一、在OptiBPM中設(shè)計(jì)MMI耦合器
在OptiBPM中使用二氧化硅材料設(shè)計(jì)了MMI耦合器。纖芯和包層的折射率分別為1.47和1.4456。對于這些折射率，波導(dǎo)寬度為3.5 μm導(dǎo)致單模工作。MMI耦合器的布局如下圖所示：
圖1.MMI耦合器系統(tǒng)布局
輸入波導(dǎo)長度為200um，耦合器尺寸為20 × 960μm。該尺寸是根據(jù)兩個(gè)輸入之間的3dB耦合比計(jì)算的。為了將這個(gè)設(shè)計(jì)導(dǎo)出到OptiSystem，我們需要生成散射數(shù)據(jù)(*.s)文件。這可以通過散射數(shù)據(jù)腳本輕松完成。通過點(diǎn)擊“Scattering Data Script”按鈕，軟件生成腳本。在菜單中選擇輸入光源、波長范圍和掃描步數(shù)。在本例中，波長范圍為1545 ~ 1555μm(圖2)。單擊OK，軟件生成構(gòu)建散射數(shù)據(jù)文件所需的腳本。
圖2.生成散射數(shù)據(jù)腳本
開始模擬，在“Simulation Parameter”窗口中，選擇“Simulate using script”，勾選“Simulation generates scattering data information”框，點(diǎn)擊“Run”。
圖3.運(yùn)行散射數(shù)據(jù)腳本
仿真完成后，在OptiBPM Analyzer上查看結(jié)果。在窗口的“Export”選項(xiàng)卡上，點(diǎn)擊“Scattering data in Cartesian Coordinates”，保存“*.s”文件。
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