光栅耦合器的设计

REF： Grating coupler – Ansys Optics

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光栅耦合器

在光芯片的表面设计一个光栅耦合器，使单模光纤连上一个集成光波导。

内置的PSO优化算法将最大化耦合效率，在INTERCONNECT里用器件S参数生成compact model。

展示了如何通过CML Compiler生成compact model。

概览

案例的设计目标是设计一个TE模式的Bragg Grating SOI耦合器（光从顶部SMF入射），核心指标FOM是目标波长下的耦合效率。

耦合效率对光栅周期$p$、刻蚀长度$l_e$、刻蚀深度$h_e$、光纤位置$x$和光纤倾角$\theta$非常敏感。

这5个参数通常进行协同优化，以在目标波长实现最大的耦合效率。由于使用五个参数进行暴力三维优化耗时过长，本文采用二维与三维模型结合的两阶段优化策略，仅需调节三个几何参数。整个设计流程分为四个主要步骤。

1. 初始二维优化：优化光栅的周期 p、占空比 d 及光纤位置 x。
2. 最终三维优化：优化光纤位置 x，以最小化插入损耗。
3. S参数提取：运行S参数扫描，并将结果导出至数据文件。
4. 紧凑模型创建：将S参数数据导入光学S参数元件中。

如下节所示，通过主要采用二维仿真并调节光栅周期、占空比及光纤位置，可实现高于40%的峰值耦合效率。

通过CML Compiler生成Compact Model

为了生成Grating coupler的Compact model，可以使用第3步中产生的S参数数据。CML compiler中的参数提取将在后面单独的一小节介绍，可以使用一个脚本文件来自动化的运行实现第3步的功能，并且生成S参数数据。

步骤 1：二维优化

1. 打开二维模拟文件。
2. 通过进入 “优化与扫描” 窗口并打开名为 “耦合效率优化” 的优化项目，来查看优化设置。
3. 查看设置后，关闭编辑窗口并运行优化。优化应在 10 到 20 分钟内完成。如果你不想等待，可以直接进入最后的三维优化步骤。
   优化完成后，就可以获取到最佳的间距、占空比和位置。右键点击 “耦合效率优化” 项目，然后在上下文菜单中依次选择 “可视化” 和 “最佳参数”。