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光行天下 -> ANSYS -> Ansys Lumerical | FDTD 應(yīng)用：設(shè)計(jì)光柵耦合器 [點(diǎn)此返回論壇查看本帖完整版本]

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ueotek

2023-05-18 09:35

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

[attachment=117899]

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(zhǎng)處的耦合效率。耦合效率對(duì)光柵的間距高度敏感p，蝕刻長(zhǎng)度le和蝕刻深度he以及光纖的位置x和傾斜角度θ。

[attachment=117900]

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(zhǎng)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。如果您不想等待，請(qǐng)直接進(jìn)入最后的 3D 優(yōu)化步驟。
4、優(yōu)化完成后，可以檢索最佳螺距、占空比和位置。右鍵單擊“耦合效率優(yōu)化”項(xiàng)，然后在上下文菜單中選擇“可視化”，然后選擇“最佳參數(shù)”。

優(yōu)化完成后，最佳參數(shù)結(jié)果也將在優(yōu)化狀態(tài)窗口中顯示，如下所示。品質(zhì)因數(shù)圖還顯示，由于優(yōu)化，F(xiàn)OM 已最大化。

[attachment=117901]

第 2 步：3D 優(yōu)化
1、打開 3D 模擬文件。
2、轉(zhuǎn)到“對(duì)象樹”窗口，然后選擇光柵結(jié)構(gòu)組。
3、右鍵單擊選定的結(jié)構(gòu)組，然后在上下文菜單中選擇“編輯對(duì)象”以打開編輯窗口。在編輯窗口的“屬性”選項(xiàng)卡中，您應(yīng)該會(huì)看到來(lái)自 2D 優(yōu)化的最佳光柵間距和占空比。
4、單擊確定關(guān)閉結(jié)構(gòu)組編輯窗口。
5、現(xiàn)在，轉(zhuǎn)到“優(yōu)化和掃描”窗口，然后選擇名為位置優(yōu)化的優(yōu)化項(xiàng)目。
6、運(yùn)行選定的優(yōu)化。這將需要幾個(gè)小時(shí)，因?yàn)樗心M都是3D的。如果您不想等待，請(qǐng)直接轉(zhuǎn)到 S 參數(shù)提取步驟。