光柵耦合器設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
光柵耦合器設計的實例教程
在兩周的設計時間內，Lumerical的PID流程在亞馬遜云服務（AWS）的EC2平臺上成功運行，充分的發揮了其靈活性、成本效益的優勢和近乎無限的可擴展功能。對于在整個設計周期中具有可變性的工作負載，計算資源可以隨時擴展，而無需像內部平臺那樣預先支付高昂的IT成本。這在設計后期尤其具有吸引力，因為此時需要大幅增強仿真能力，以快速優化和驗證設計的多種變量。
對兩種光柵耦合器的原始設計和新設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，成功開發的新型SiPh光柵耦合器，其器件面積比CompoundTek的現有耦合器小20倍，性能預計也會有所改善。為實現上述成果，PID流程經配置后，可在具有超過50多項設計參數的FDTD中自動優化光柵耦合器的參數化2D模型。優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，優化設計后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預計性能與原始設計相當，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經優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上開發設計PID，生成和優化光柵耦合器設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應用庫中提供的2D光柵耦合器示例作為參考設計并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實現在幾個小時內就能生成備選設計。
展開 在兩周的設計時間內，Lumerical的PID流程在亞馬遜云服務（AWS）的EC2平臺上成功運行，充分的發揮了其靈活性、成本效益的優勢和近乎無限的可擴展功能。對于在整個設計周期中具有可變性的工作負載，計算資源可以隨時擴展，而無需像內部平臺那樣預先支付高昂的IT成本。這在設計后期尤其具有吸引力，因為此時需要大幅增強仿真能力，以快速優化和驗證設計的多種變量。
對兩種光柵耦合器的原始設計和新設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，成功開發的新型SiPh光柵耦合器，其器件面積比CompoundTek的現有耦合器小20倍，性能預計也會有所改善。為實現上述成果，PID流程經配置后，可在具有超過50多項設計參數的FDTD中自動優化光柵耦合器的參數化2D模型。優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，優化設計后FDTD仿真的損耗與原始耦合器的比較。在C頻段，預計性能與原始設計相當，在1550-nm處的損耗為-2.5dB。在O頻段，經優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上開發設計PID，生成和優化光柵耦合器設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應用庫中提供的2D光柵耦合器示例作為參考設計并取得Lumerical的FDTD Burst Pack許可，可以實現在幾個小時內就能生成備選設計。
展開 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。
展開 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鍵技術。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。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點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統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）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。
研究現狀
現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計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，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計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，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構。（a）階梯型光柵；（b）逆向設計型光柵
工作原理及仿真結果
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結構如圖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 <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鍵技術。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。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點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統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）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。</p><p><br></p><p><strong>研究現狀</strong></p><p>現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計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵<sup>[2]</sup>來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，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計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，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。
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可取代傳統電子元件并實現更快通信的光子元件
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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）。分析了兩個方向對系統損耗的貢獻
圖4 （a）ML-VGC的電場分布圖；（b）不同結構耦合效率的數值比較；（c）微透鏡位置誤差對耦合效率的影響；（d）微透鏡高度誤差對耦合效率的影響
總結與展望
本文介紹了一種微透鏡輔助光柵耦合器的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率。微透鏡通過熱回流工藝制造，集成到淺蝕刻切趾光柵耦合器上。通過操縱垂直入射光的透射角，微透鏡有效地將入射角與下面的光柵的耦合角對準。
在光通信、數據中心和人工智能等領域，硅光子技術憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯的核心驅動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術難點——尤其是如何在實現高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發表在《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 ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。本文將從技術背景、設計原理
生成一個自定義探測器來計算一維周期結構的衍射效率，這是一個用戶定義范圍內入射方向的函數。根據效率，可以在定義的視場內評估衍射效率的平均值和對比度，并且可以用于定義優化函數以便進行可能的參數優化。
摘要
摘要
生成一個自定義探測器來計算一維周期結構的衍射效率，這是一個用戶定義范圍內入射方向的函數。根據效率，可以在定義的視場內評估衍射效率的平均值和對比度，并且可以用于定義優化函數以便進行可能的參數優化。
建模任務
OptiFDTD應用：光柵耦合器9個月前
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應用于光纖(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
OptiFDTD應用：光柵耦合器9個月前
簡介：
光柵耦合器(GC)是一種廣泛應用于光纖(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
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說明
本示例演示通過1×2端口多模干涉(MMI)耦合器計算寬帶傳輸和光損耗，并使用S參數在 INTERCONNECT 中創建 MMI 的緊湊模型。
綜述
低損耗光耦合器和光分路器是基于 Mach-Zehnder 的光調制器的基本組件，是集成電路的關鍵組成部分。通過在輸入和輸出波導處使用 taper 以確保輸入和輸出波導的模式與干涉區域之間的良好匹配
class="ql-align-center">（b）不同結構耦合效率的數值比較；</p><p class="ql-align-center">（c）微透鏡位置誤差對耦合效率的影響；</p><p class="ql-align-center">（d）微透鏡高度誤差對耦合效率的影響</p><p><br></p><p><strong>總結與展望</strong></p><p>本文介紹了一種微透鏡輔助光柵耦合器的設計
