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端面耦合器設計

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創建者：匿名 創建時間：2026-01-22
端面耦合器設計圖1

端面耦合器設計的實例教程

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多芯波導的端面耦合器進行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導的寬度和波導之間的距離以及劈尖波導的長度和相對位置進行優化，最終實現了與高數值孔徑光纖（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的發展和三維波導制造工藝的不斷完善，多層波導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。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波導和 包層之間，因此成為基于高折射率、小截面尺寸波導的端面耦合器設計中最具潛力的材料之一。 2021年，Sun 等提出了采用5根 波導的端面耦合器結構，其與模場直徑為8.2 μm的光纖的耦合損耗達0.44 dB。傳統SOI波導一般位于芯片波導區的最底層，而在其設計中，底層的 波導低于SOI波導，使得制備難度很大。2022年，Liang等 采用對 包層進行高折射率摻雜以及對 包層進行深刻蝕的設計方式，實現了與標準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 波導且不對 包層進行高折射率摻雜和深刻蝕的端面耦合器，分別在鈮酸鋰波導體系和三五族波導體系中完成了光纖耦合，其耦合損耗分別達到了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 波導的異質多芯SOI波導端面耦合器 ，實現了與高數值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。
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附件下載 聯系工作人員獲取附件 在本案例中，我們演示了使用微透鏡和端面耦合器進行光纖到光子芯片的耦合。我們引入 Zemax OpticStudio以解決實際錯位情況下通過微光學元件的傳播問題。作為演示，我們在正常條件下通過各個步驟查看功率損耗，然后進行非理想情況、自定義選項和復雜的公差研究。我們將討論影響仿真精度的重要模型設置；然后提供有關如何分析不同對準場景或使用自定義光學元件的指南。 概述 在光子學中，將信號耦合到芯片是一項獨特的挑戰，需要精確對準和復雜的封裝。鑒于耦合性能對芯片的功能至關重要，因此這種設計因為產量損失、過度設計和額外的加工/封裝費用占技術成本的很大一部分也就不足為奇了。隨著行業趨勢朝著 3D 集成電路內共封裝光學器件的方向發展，開發工作流程以準確模擬可靠性并做出經濟可行的設計決策變得勢在必行。 雖然尚無行業標準，但耦合是通過光柵耦合器、衰減耦合器或端面耦合器等標準器件實現的。端面耦合器是制造在芯片邊緣的，將光纖靠近芯片邊緣，并采用大尺寸模斑轉換器（SSC）將較大的光纖模式絕熱轉換為波導模式。雖然這些器件在放置位置和尺寸方面存在限制，但它們可以提供寬帶、偏振不敏感性和低插入損耗（IL）。本征模展開法（EME）是一種沿傳播軸分析導模光學有效且準確的方法，非常適合高效仿真SSC器件，而這些器件通常對于FDTD來說太大了。 假設光纖和SSC之間完美接觸和對準，這在考慮IL時是合理的；但這沒法分析錯位的容差，也無助于設計在制造/封裝變化下穩健的系統。為此，我們拓展了結合Zemax的物理光學傳播（POP）工具的方法，以可靠地仿真錯位并分析更復雜的光學系統。 步驟1：Lumerical MODE 中的光纖分析（可選） 使用FDE求解器求解光纖的模式，并通過.ZBF格式將模場導出到OpticStudio。
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此外，使用多個尖端可以提高設計自由度，使得小尺寸就能實現較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結構如圖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構如圖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，可以通過對該結構進行合理設計，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構變換 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，使得模式區域變大并于光纖纖芯的模式區域相當，有助于更高效與光纖發出的光進行耦合。可以通過改變輔助波導的數量、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，能更好實現端面耦合。其中最頂層的錐形長度最短，最底層最長，這樣設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，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結構，以實現模式轉換，如圖6（b）所示。 圖6 兩種多錐形級聯。（a）正向錐形；（b）倒錐形 3.
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此外，使用多個尖端可以提高設計自由度，使得小尺寸就能實現較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結構如圖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構如圖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，可以通過對該結構進行合理設計，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構變換 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，使得模式區域變大并于光纖纖芯的模式區域相當，有助于更高效與光纖發出的光進行耦合。可以通過改變輔助波導的數量、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，能更好實現端面耦合。其中最頂層的錐形長度最短，最底層最長，這樣設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，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結構，以實現模式轉換，如圖6（b）所示。 圖6 兩種多錐形級聯。（a）正向錐形；（b）倒錐形 3.
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本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第三期。本期主要展示從設計端面耦合器，到參數優化以實現模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S參數在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建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。 本期文章參考文獻[1]設計了一個基于絕緣體上硅（SOI）結構的端面耦合器，該耦合器能高效地將光耦合進/出傳統SMF-28光纖，工作中心波長為1550 nm，其結構示意圖如圖1所示。 圖1 （a）端面耦合器結構示意圖；（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構，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。該器件的品質因數（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。在此示例中，重點是優化光纖位置和倒錐形波導的長度。對于倒錐形波導的設計，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矩陣結果，不需重復運行仿真。設計過程包括以下5個主要步驟： 利用FDE對光纖位置進行優化。利用EME對無基底的倒錐形波導長度進行優化。加入基底，利用EME進行最終優化。S參數提取：運行以獲取作為波長函數的S參數并將結果導出到數據文件。緊湊模型創建：將S參數數據導入INTERCONNECT。
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端面耦合器設計圖2

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由圖分析可知150 nm厚度的半刻蝕Si波導更適合本端面耦合器的設計，同時，還需選擇合適的 和 以實現最優耦合效率。 圖3 十字型波導TE模和TM模與光纖的模場匹配度。
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行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。 背景介紹 基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大
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行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。 背景介紹 基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大
附件下載 聯系工作人員獲取附件 在本案例中，我們演示了使用微透鏡和端面耦合器進行光纖到光子芯片的耦合。我們引入 Zemax OpticStudio以解決實際錯位情況下通過微光學元件的傳播問題。作為演示，我們在正常條件下通過各個步驟查看功率損耗，然后進行非理想情況、自定義選項和復雜的公差研究。我們將討論影響仿真精度的重要模型設置；然后提供有關如何分析不同對準場景或使用自定義光學元件的指南。
如何應對邊緣計算中高速內存的設計挑戰 6 Ansys Lumerical在硅光子學的新設計方法 - 反向設計簡介 7 Ansys Lumerical最新仿真工具于半導體激光器之應用 8 基于Ansys Lumerical的氮化硅-硅基集成光路中端面耦合器設計