光柵耦合器設計的案例
案例分享 | Lumerical助力CompoundTek光柵耦合器面積大幅縮減
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。
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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 Ansys Lumerical | FDTD 應用：設計光柵耦合器
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 【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。
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
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 OptiFDTD應用：光柵耦合器
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
2D FDTD模擬
光柵耦合器
SMGP
模擬結果
區域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
展開 OptiFDTD應用：光柵耦合器
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
2D FDTD模擬
模擬結果
線探測器得到的功率譜
點探測器得到的時域中的Ey場
區域探測器得到的波長0.843um處Ey強度圖（2D&3D）
展開 用于光波導耦合光柵評估的自定義探測器
用于光波導耦合光柵評估的自定義探測器
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
任務：
生成探測器來評估給定視場（FOV）的波導耦合光柵的性能（平均效率，均勻性）。 探測器可用于分析透射或反射模式下的指定衍射級。
視場（FOV）的定義
調用傅里葉模態法（FMM）
使用探測器幫助瀏覽輸入參數 探測器結果的評估
作為結果，探測器會根據對特定衍射級次m作為一組平面波入射方向的函數的效率，來計算平均效率和均勻對比度。 均勻對比度(或誤差)由下式計算 計算值在VirtualLab Fusion的探測器結果中顯示。
矩形光柵的波導耦合分析 文件信息
展開 [VirtualLab] 用于光波導耦合光柵評估的自定義探測器
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
任務：
生成探測器來評估給定視場（FOV）的波導耦合光柵的性能（平均效率，均勻性）。
探測器可用于分析透射或反射模式下的指定衍射級。
視場（FOV）的定義
調用傅里葉模態法（FMM）
使用探測器幫助瀏覽輸入參數
探測器結果的評估
作為結果，探測器會根據對特定衍射級次m作為一組平面波入射方向的函數的效率，來計算平均效率和均勻對比度。
均勻對比度(或誤差)由下式計算
計算值在VirtualLab Fusion的探測器結果中顯示。
矩形光柵的波導耦合分析
文件信息
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，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-波導耦合器設計非常具有挑戰性。為了應對這一挑戰，復雜的耦合器設計涉及光與微觀及宏觀結構相互作用。在不同尺度級別上對這些復雜的相互作用進行仿真和優化對于耦合器的設計至關重要。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計耦合器。在可以解決高效耦合器設計挑戰的各種耦合機制中，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 進行微觀設計（“OUT”方向）
對于設計的起點，假設我們有一個經過優化的光柵。有關如何優化光柵以實現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。然后將結果導出到 .zbf 文件中。
第 2 步：使用 Zemax 進行宏觀設計（“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中。
展開 用于光波導耦合光柵評估的自定義探測器
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
偏振分集光柵耦合器實現光纖與芯片的高效互聯
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、實驗結果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰與機遇
硅光子技術的核心優勢在于其高折射率對比度，可實現超緊湊的光學器件。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，實際應用中光的偏振態復雜多變，導致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現偏振分集（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 光刻技術下，如何平衡結構復雜度與耦合效率成為關鍵。
此前研究 雖通過加厚硅層或復雜納米結構提升效率，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結構（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發多極輻射模式，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”。傳統設計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。本研究的創新點在于通過結構設計激發高階多極模式（如磁偶極子、電四極子），從而增強輻射方向性。
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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，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-波導耦合器設計非常具有挑戰性。為了應對這一挑戰，復雜的耦合器設計涉及光與微觀及宏觀結構相互作用。在不同尺度級別上對這些復雜的相互作用進行仿真和優化對于耦合器的設計至關重要。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計耦合器。在可以解決高效耦合器設計挑戰的各種耦合機制中，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 進行微觀設計（“OUT”方向）
對于設計的起點，假設我們有一個經過優化的光柵。有關如何優化光柵以實現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。然后將結果導出到 .zbf 文件中。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—光纖耦合器
研究基于倏逝波的光纖定向耦合器。傳輸一段距離后，兩光纖纖芯相對較近，光線可由一根光纖遂穿到另外一根光纖纖芯內。光線由其中一個端口入射，可分析不同波導距離，耦合長度，波長下的傳輸特性。
圖1為折射率分布，用于說明是否為所設定的耦合結構。
圖2為yz平面內的場分布，可分析光功率如何耦合至相鄰波導的過程。
圖3為其中一個輸出端口下光束的分布。
圖4為耦合強度與耦合區兩纖芯距離的關系；
圖5為耦合強度與波長的關系。短波長表現弱耦合，隱逝場較弱。由于光耦合返回至初始波導中，彎曲損耗逐漸增加，在再次減弱前，長波長表現強耦合特性。
需指出，該程序分別定義了不同的波長通道，用戶可在后期詳細研究各通道光束的分布，以及耦合區光束的分布特性。
展開 揚聲器設計與仿真-聲固耦合
01
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聲固耦合
當一個振動的結構體驅動了傳遞聲壓波的氣體或液體（流體）時，就會有聲音產生。振動著的物體可以是板、膜或固體。流體介質中的壓力波也會在固體中產生振動。這個過程也被稱為聲-結構相互作用。這個相互作用是雙向的。
對“聲-結構相互作用”的研究涉及到兩個不同領域的物理學分支的相互結合：聲學和結構力學。在某些情況下，流體中的聲壓波和固體的振動都強到足以發生顯著的相互影響，從而產生雙向的耦合。
在聲固耦合邊界
固體沿著交界面法向的加速度作用于流體
聲壓以法向單位面積載荷作用于固體
02
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雙向聲固耦合
揚聲器中，音圈的上下移使揚聲器的振膜發生振動。這會使周圍的空氣產生壓力變化，并產生能讓人聽到的聲音信號。揚聲器振膜周圍的空氣也會影響圓錐體本身的運動；其中的一個例子就是所謂的“附加質量”。
揚聲器空氣隨動質量計算
在揚聲器的設計和優化過程中，就必須要考慮到這些影響。
從上一節聲固耦合圖示中，可以清楚的知道聲固耦合原理。那么我們可以自己動手進行雙向聲固耦合。
以Comsol自帶的揚聲器模型為例進行說明。聲固耦合在單獨的多物理場耦合模塊中設置。如下圖所示。
既然進行手動耦合，那么先刪除這個聲結構邊界。然后在聲場中定義法向加速度邊界，在到固體力學中加載邊界的聲壓。
和軟件自動耦合結果對比，結果是完全一致的。只存在非常微小的數值計算誤差。
03
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拓展
手動聲固耦合除了加深對軟件計算背后的原理的理解之外，還有一個額外的好處。當可以認為聲場對固體振動影響很小時，可以手動進行單向的固體到聲場的耦合。
展開 