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說明

本文旨在介紹 Ansys Lumerical 針對 Grating coupler 的仿真分析方法。通過設(shè)計(jì)一個(gè)光柵耦合器，將光子芯片表面的單模光纖連接到集成波導(dǎo)，并使用優(yōu)化工具用于最大化耦合效率，并使用S 參數(shù)創(chuàng)建 INTERCONNECT 中的緊湊模型。

綜述

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，該耦合器具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)和頂部注入的單模光纖。此設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù) (FOM) 是目標(biāo)波長處的耦合效率。耦合效率與光柵間距 p, 蝕刻長度 le，蝕刻深度he，光纖位置 x 以及光纖傾斜角θ 都有關(guān)。

這五個(gè)參數(shù)通常一起優(yōu)化，以最大化目標(biāo)中心波長處的耦合效率。 由于具有五個(gè)參數(shù)的 3-D 優(yōu)化非常耗時(shí)，因此此處使用 2-D 和 3-D 模型的組合并僅改變?nèi)齻€(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行兩階段優(yōu)化。 設(shè)計(jì)工作流程包括四個(gè)主要步驟。

步驟1：初始2D優(yōu)化：優(yōu)化光柵間距 p、占空比 d 和光纖位置 x

使用Lumerical “Optimizations and Sweeps” 功能，優(yōu)化完成后，最佳參數(shù)結(jié)果也將顯示在優(yōu)化狀態(tài)窗口中，如下所示：

步驟2：最終3D優(yōu)化：優(yōu)化光纖的位置 x 以最小化插入損耗

3D 優(yōu)化最佳 FOM 如下圖所示：

步驟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

獲得的 s 參數(shù)光譜表明在目標(biāo)波長處的功率耦合效率約為 40%，如下圖所示：

步驟4：緊湊模型創(chuàng)建：將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Interconnect

在 INTERCONNECT 中測量的功率傳輸與步驟 3 中獲得的 s 參數(shù)功率傳輸相同。