光柵耦合器的案例
Lumerical系列|用于增強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，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標準的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，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、更高的對準公差以及無需表面拋光等優(yōu)點，從而實現(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)計優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產(chǎn)生獨特的光柵結(jié)構(gòu)，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示，這些逆向設(shè)計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
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，包層不僅可以保護光柵，還可以幫助控制入射光的角度。
展開 【Lumerical系列】用于增強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，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標準的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，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、更高的對準公差以及無需表面拋光等優(yōu)點，從而實現(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)計優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產(chǎn)生獨特的光柵結(jié)構(gòu)，以增強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)計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
展開 OptiFDTD應(yīng)用：光柵耦合器
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應(yīng)用于光纖(或自由空間)和亞微米波導之間耦合的I/O器件。
兩個典型的應(yīng)用：基于CMOS兼容的絕緣硅片（SOI）平臺的光柵耦合器以及熱輔助磁記錄（HAMR）。
高耦合效率設(shè)計：分布式布拉格反射器的光柵耦合器或者光柵反射器，二元閃耀光柵耦合器，雙刻蝕切趾光柵耦合器等
2D FDTD模擬
光柵耦合器
SMGP
模擬結(jié)果
區(qū)域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
展開 Ansys Lumerical | FDTD 應(yīng)用：設(shè)計光柵耦合器
本文將設(shè)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(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
本示例的目標是設(shè)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(shè)計中的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（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(shù)通常一起優(yōu)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(shù)的暴力 3-D 優(yōu)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(yōu)化，并且僅改變?nèi)齻€幾何參數(shù)。設(shè)計工作流程包括四個主要步驟。
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：運行 S 參數(shù)掃描并將結(jié)果導出到數(shù)據(jù)文件。
4、緊湊的模型創(chuàng)建：將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導入光學 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)。
運行和結(jié)果
第 1 步：2D 優(yōu)化
1、打開 2D 模擬文件。
2、進入“優(yōu)化和掃描”窗口，打開名為“耦合效率優(yōu)化”的優(yōu)化項，查看優(yōu)化設(shè)置。
3、查看設(shè)置后，關(guān)閉編輯窗口并運行優(yōu)化。優(yōu)化應(yīng)在 10 到20分鐘內(nèi)完成。
展開 
OptiFDTD應(yīng)用：光柵耦合器
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應(yīng)用于光纖(或自由空間)和亞微米波導之間耦合的I/O器件。
兩個典型的應(yīng)用：基于CMOS兼容的絕緣硅片（SOI）平臺的光柵耦合器以及熱輔助磁記錄（HAMR）。
高耦合效率設(shè)計：分布式布拉格反射器的光柵耦合器或者光柵反射器，二元閃耀光柵耦合器，雙刻蝕切趾光柵耦合器等
2D FDTD模擬
模擬結(jié)果
線探測器得到的功率譜
點探測器得到的時域中的Ey場
區(qū)域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
展開 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)計和新設(shè)計的插入損耗進行對比，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，性能預計也會有所改善。為實現(xiàn)上述成果，PID流程經(jīng)配置后，可在具有超過50多項設(shè)計參數(shù)的FDTD中自動優(yōu)化光柵耦合器的參數(shù)化2D模型。優(yōu)化目標是在整個頻帶上最大限度地降低損耗，同時把強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)計后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預計性能與原始設(shè)計相當，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經(jīng)優(yōu)化的耦合器的預計性能有所提高，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實現(xiàn)如此大幅度的面積縮減是難能可貴的，因為這樣有望降低制造成本。
通過在AWS EC2上開發(fā)設(shè)計PID，生成和優(yōu)化光柵耦合器設(shè)計所需的時間被縮短到兩周，其中包括配置和啟動云資源所需的時間。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)計并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實現(xiàn)在幾個小時內(nèi)就能生成備選設(shè)計。
兩周后，CompoundTek獲得了8種可制造變量的最佳設(shè)計，這些設(shè)計的尺寸顯著小于現(xiàn)有設(shè)計，且在整個頻段上性能更佳，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)計項目所需的計算總成本約為250美元，這是通過利用EC2的spot pricing（競價實例）實現(xiàn)的。通過在AWS上完成該項目，避免了部署和維護本地計算資源等大量前期成本、可能的延誤和后續(xù)維護成本。
展開 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)計和新設(shè)計的插入損耗進行對比，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，性能預計也會有所改善。為實現(xiàn)上述成果，PID流程經(jīng)配置后，可在具有超過50多項設(shè)計參數(shù)的FDTD中自動優(yōu)化光柵耦合器的參數(shù)化2D模型。優(yōu)化目標是在整個頻帶上最大限度地降低損耗，同時把強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)計后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預計性能與原始設(shè)計相當，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經(jīng)優(yōu)化的耦合器的預計性能有所提高，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實現(xiàn)如此大幅度的面積縮減是難能可貴的，因為這樣有望降低制造成本。
通過在AWS EC2上開發(fā)設(shè)計PID，生成和優(yōu)化光柵耦合器設(shè)計所需的時間被縮短到兩周，其中包括配置和啟動云資源所需的時間。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)計并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實現(xiàn)在幾個小時內(nèi)就能生成備選設(shè)計。
兩周后，CompoundTek獲得了8種可制造變量的最佳設(shè)計，這些設(shè)計的尺寸顯著小于現(xiàn)有設(shè)計，且在整個頻段上性能更佳，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)計項目所需的計算總成本約為250美元，這是通過利用EC2的spot pricing（競價實例）實現(xiàn)的。通過在AWS上完成該項目，避免了部署和維護本地計算資源等大量前期成本、可能的延誤和后續(xù)維護成本。
展開 偏振分集光柵耦合器實現(xiàn)光纖與芯片的高效互聯(lián)
然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術(shù)難點——尤其是如何在實現(xiàn)高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發(fā)表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規(guī)模化應(yīng)用提供了新思路。本文將從技術(shù)背景、設(shè)計原理、實驗結(jié)果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰(zhàn)與機遇
硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高折射率對比度，可實現(xiàn)超緊湊的光學器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導致耦合效率低下。
傳統(tǒng)解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規(guī)模化；一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實際應(yīng)用中光的偏振態(tài)復雜多變，導致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現(xiàn)偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術(shù)下，如何平衡結(jié)構(gòu)復雜度與耦合效率成為關(guān)鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復雜納米結(jié)構(gòu)提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質(zhì)結(jié)構(gòu)（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發(fā)多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1 完全垂直二維光柵耦合器示意圖
多極輻射模式與雙層級設(shè)計
1.多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統(tǒng)設(shè)計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。本研究的創(chuàng)新點在于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計激發(fā)高階多極模式（如磁偶極子、電四極子），從而增強輻射方向性。
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步驟組成。前兩個步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻，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之間的錯位高度敏感，高效的光纖-波導耦合器設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，復雜的耦合器設(shè)計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雜的相互作用進行仿真和優(yōu)化對于耦合器的設(shè)計至關(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)計耦合器。在可以解決高效耦合器設(shè)計挑戰(zhàn)的各種耦合機制中，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的公差。工作流劃分如下：
第 1 步：使用 Lumerical 進行微觀設(shè)計（“OUT”方向）
對于設(shè)計的起點，假設(shè)我們有一個經(jīng)過優(yōu)化的光柵。有關(guān)如何優(yōu)化光柵以實現(xiàn)波導與光纖耦合的更多詳細信息，請參閱文章Lumerical 針對 Grating coupler 的仿真分析方法。
Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于計算光柵輸出端的電場。然后將結(jié)果導出到 .zbf 文件中。
第 2 步：使用 Zemax 進行宏觀設(shè)計（“OUT”方向）
步驟 1 中的 .zbf 文件被導入 OpticStudio 中，用于將光進一步傳播到光學系統(tǒng)中。
展開 Ansys Lumerical | 用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器
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本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導耦合系統(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步驟組成。前兩個步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻，以及對光纖橫向偏移的公差分析。
概述
由于模式失配以及對光纖和波導之間的錯位高度敏感，高效的光纖-波導耦合器設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，復雜的耦合器設(shè)計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雜的相互作用進行仿真和優(yōu)化對于耦合器的設(shè)計至關(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)計耦合器。在可以解決高效耦合器設(shè)計挑戰(zhàn)的各種耦合機制中，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的公差。工作流劃分如下：
第 1 步：使用 Lumerical 進行微觀設(shè)計（“OUT”方向）
對于設(shè)計的起點，假設(shè)我們有一個經(jīng)過優(yōu)化的光柵。有關(guān)如何優(yōu)化光柵以實現(xiàn)波導與光纖耦合的更多詳細信息，請參閱文章 Ansys Lumerical｜針對 Grating coupler 的仿真分析方法。
Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于計算光柵輸出端的電場。然后將結(jié)果導出到 .zbf 文件中。
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
此外，使用多個尖端可以提高設(shè)計自由度，使得小尺寸就能實現(xiàn)較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。
圖3 （a）多尖端錐形端面耦合器；（b）多錐形端面耦合器
3. 基于亞波長光柵的端面耦合器
基于亞波長光柵的端面耦合器結(jié)構(gòu)如圖4所示。亞波長光柵的有效折射率由尖端寬度、間距以及占空比綜合決定，因此，可以通過對該結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，使其有效折射率最大程度上與光纖模式匹配，進而提高耦合效率。
圖4 基于亞波長光柵的端面耦合器
端面耦合器在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變換
1. 多個波導輔助的端面耦合器
圖5是在倒錐形上方放置多個波導以獲得較大模態(tài)面積的方法。上方波導通常由折射率低于硅的材料制成，如氮化硅和氮氧化硅。下方的倒錐形波導與上方輔助波導支持疊加模式，使得模式區(qū)域變大并于光纖纖芯的模式區(qū)域相當，有助于更高效與光纖發(fā)出的光進行耦合。可以通過改變輔助波導的數(shù)量、材料折射率和方向來控制最終的模場分布。
圖5 多個波導輔助的端面耦合器
2. 基于級聯(lián)多錐形的端面耦合器
基于多錐形的端面耦合器不同層的多個單向錐形組成，其截面由不同層的錐形合并，具有較大的橫截面積，能更好實現(xiàn)端面耦合。其中最頂層的錐形長度最短，最底層最長，這樣設(shè)計是使上層的光依次傳到最底層。基于其最底層與硅波導連接的類型可分為兩種類型，第一種是每層錐形波導同向級聯(lián)，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，如圖6（b）所示。
圖6 兩種多錐形級聯(lián)。（a）正向錐形；（b）倒錐形
3.
展開 
【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
此外，使用多個尖端可以提高設(shè)計自由度，使得小尺寸就能實現(xiàn)較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。
圖3 （a）多尖端錐形端面耦合器；（b）多錐形端面耦合器
3. 基于亞波長光柵的端面耦合器
基于亞波長光柵的端面耦合器結(jié)構(gòu)如圖4所示。亞波長光柵的有效折射率由尖端寬度、間距以及占空比綜合決定，因此，可以通過對該結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，使其有效折射率最大程度上與光纖模式匹配，進而提高耦合效率。
圖4 基于亞波長光柵的端面耦合器
端面耦合器在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變換
1. 多個波導輔助的端面耦合器
圖5是在倒錐形上方放置多個波導以獲得較大模態(tài)面積的方法。上方波導通常由折射率低于硅的材料制成，如氮化硅和氮氧化硅。下方的倒錐形波導與上方輔助波導支持疊加模式，使得模式區(qū)域變大并于光纖纖芯的模式區(qū)域相當，有助于更高效與光纖發(fā)出的光進行耦合。可以通過改變輔助波導的數(shù)量、材料折射率和方向來控制最終的模場分布。
圖5 多個波導輔助的端面耦合器
2. 基于級聯(lián)多錐形的端面耦合器
基于多錐形的端面耦合器不同層的多個單向錐形組成，其截面由不同層的錐形合并，具有較大的橫截面積，能更好實現(xiàn)端面耦合。其中最頂層的錐形長度最短，最底層最長，這樣設(shè)計是使上層的光依次傳到最底層。基于其最底層與硅波導連接的類型可分為兩種類型，第一種是每層錐形波導同向級聯(lián)，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，如圖6（b）所示。
圖6 兩種多錐形級聯(lián)。（a）正向錐形；（b）倒錐形
3.
展開 【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器3丨仿真流程
本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設(shè)計端面耦合器，到參數(shù)優(yōu)化以實現(xiàn)模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數(shù)在INTERCONNECT中生成緊湊模型的整個流程。
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創(chuàng)建耦合面，但其優(yōu)勢在于能提供較大的工作帶寬。
本期文章參考文獻[1]設(shè)計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結(jié)構(gòu)的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統(tǒng)SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 （a）端面耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）橫截面示意圖
如上圖所示，該端面耦合器包含3個 層，且硅波導采用倒錐形結(jié)構(gòu)，用于將光場擴展成更大的波導模式，使其與光纖模式更兼容。此外， 層的有效折射率由亞波長光柵控制，即高折射率（ ）和低折射率（ ）材料的交替條帶。該器件的品質(zhì)因數(shù)（FOM）是波導模式和光纖模式之間的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函數(shù)。在此示例中，重點是優(yōu)化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設(shè)計，使用本征模擴展（EME）方法，因為它允許在掃描器件長度或器件的任何部分時立即重新計算S矩陣結(jié)果，不需重復運行仿真。設(shè)計過程包括以下5個主要步驟：
利用FDE對光纖位置進行優(yōu)化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優(yōu)化。加入基底，利用EME進行最終優(yōu)化。S參數(shù)提取：運行以獲取作為波長函數(shù)的S參數(shù)并將結(jié)果導出到數(shù)據(jù)文件。緊湊模型創(chuàng)建：將S參數(shù)數(shù)據(jù)導入INTERCONNECT。
展開 一期一會 | 詳解Ansys方案支持超透鏡和共封裝光學的技術(shù)發(fā)展
其中一些元件如今已經(jīng)應(yīng)用于光學領(lǐng)域，如衍射光柵，而其他新型元件被視為新一代光學透鏡（例如超表面和超透鏡）。
DOE可精確控制光波的相位、偏振和強度，因此具有極高的應(yīng)用價值。另外，其比傳統(tǒng)折射光學元件更薄、更輕，從而可以減少光學系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。
傳統(tǒng)的衍射光學元件
許多常見類型的DOE被用于調(diào)控光源，這些DOE包括衍射光柵、菲涅爾波帶片、衍射分光鏡、衍射光束整形器和衍射勻光器。
衍射光柵
衍射光柵是一種具有微小周期性結(jié)構(gòu)的光學結(jié)構(gòu)，其中，這些結(jié)構(gòu)之間的距離與光波長一樣小（即在微米或納米范圍內(nèi)）。這些結(jié)構(gòu)可以將入射光重定向到多個空間方向，這些方向被稱為衍射級次。衍射光柵的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋光譜分析到增強現(xiàn)實（AR）眼鏡等技術(shù)。
表面浮雕光柵（SRG）和體積全息光柵（VHG）
目前業(yè)內(nèi)有兩種類型的衍射光柵：
表面浮雕光柵
體積全息光柵
表面浮雕光柵具有使用金剛石車削、3D打印或光刻技術(shù)等機械方法制造的小型周期性刻線。每種光柵中的刻線都不相同，使設(shè)計人員能夠根據(jù)預期應(yīng)用和波長范圍定制光柵，實現(xiàn)對光的調(diào)控。周期性和結(jié)構(gòu)的變化會改變光柵的衍射效率和衍射級次，這有助于在調(diào)控光線時實現(xiàn)更好的控制。
使用Ansys Lumerical FDTD軟件中的嚴格耦合波分析（RCWA）求解器，對2D刻劃光柵的透射特性進行仿真
體積全息光柵是通過在感光材料中記錄全息圖案制造而成的。首先，感光材料（即聚合物或玻璃）暴露于由兩個相干激光束產(chǎn)生的干涉圖案中，這就形成了基板材料中折射率的三維調(diào)制。
當光以原始記錄的入射角之一照射光柵時，它會再現(xiàn)流程中使用的第二個記錄光束。響應(yīng)的帶寬取決于材料、調(diào)制指數(shù)和光柵厚度。
展開 Ansys Lumerical | 帶2D輸出耦合器的出瞳擴展器的優(yōu)化
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本文提出并演示了一種以二維光柵為外耦合器的出瞳擴展器（EPE）系統(tǒng)的仿真方法，并給出了優(yōu)化和公差分析的實例。
在此工作流程中，我們使用 Lumerical 構(gòu)建光柵模型，并使用 RCWA 求解器模擬其響應(yīng)。完整的EPE系統(tǒng)內(nèi)置于OpticStudio中，并動態(tài)鏈接到Lumerical，以集成精確的光柵模型。外耦合器（OC）是一種具有復雜結(jié)構(gòu)的二維光柵，其功能在局部進行了優(yōu)化。最后，利用optiSLang通過修改光柵模型，對系統(tǒng)級優(yōu)化進行整體控制，實現(xiàn)整個EPE系統(tǒng)所需的光學性能。
概述
設(shè)計具有EPE的AR系統(tǒng)，可以增加眼盒的尺寸，這對系統(tǒng)級的優(yōu)化來說是一個挑戰(zhàn)，因為它需要大量的參數(shù)。一種解決方案是使用多個一維光柵來模擬瞳孔，有關(guān)詳細信息，請參閱《Ansys Lumerical | 采用一維光柵的出瞳擴展器的優(yōu)化》。在本文中，波導由Lumerical設(shè)計的兩個光柵組成。內(nèi)耦合器（IC）是一維斜光柵，外耦合器（OC）是由平行四邊形柱組成的二維光柵。這些光柵通過動態(tài)鏈路在OpticStudio光學系統(tǒng)中使用。2D OC光柵被分成幾個部分，其中的光柵參數(shù)部分可以分別進行調(diào)整。
然后，optiSLang 通過 Python 節(jié)點處理優(yōu)化。optiSLang 的使用帶來了很大的優(yōu)勢，例如能夠在每個優(yōu)化周期內(nèi)執(zhí)行預處理和后處理（例如，使用瞳孔函數(shù)對結(jié)果進行卷積）。此外，可以通過在 python 代碼中定義函數(shù)來控制參數(shù)，而不是直接使用不同區(qū)域中的所有單個光柵特性，從而減少變量總數(shù)，從而縮短優(yōu)化時間。該過程由 Sensitivity 模塊啟動，以便系統(tǒng)在運行優(yōu)化時可以識別影響最大的參數(shù)。
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