本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)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(jìn)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(gè)步驟組成。前兩個(gè)步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個(gè)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(gè)方向?qū)ο到y(tǒng)損耗的貢獻(xiàn)，以及對(duì)光纖橫向偏移的公差分析。
由于模式失配以及對(duì)光纖和波導(dǎo)之間的錯(cuò)位高度敏感，高效的光纖-波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，復(fù)雜的耦合器設(shè)計(jì)涉及光與微觀及宏觀結(jié)構(gòu)相互作用。在不同尺度級(jí)別上對(duì)這些復(fù)雜的相互作用進(jìn)行仿真和優(yōu)化對(duì)于耦合器的設(shè)計(jì)至關(guān)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(lái)設(shè)計(jì)耦合器。在可以解決高效耦合器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的各種耦合機(jī)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(duì)準(zhǔn)的公差。工作流劃分如下：
第 1 步：使用 Lumerical 進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
對(duì)于設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，假設(shè)我們有一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的光柵。有關(guān)如何優(yōu)化光柵以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與光纖耦合的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文章Lumerical 針對(duì) Grating coupler 的仿真分析方法。
Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于計(jì)算光柵輸出端的電場(chǎng)。然后將結(jié)果導(dǎo)出到 .zbf 文件中。
第 2 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
步驟 1 中的 .zbf 文件被導(dǎo)入 OpticStudio 中，用于將光進(jìn)一步傳播到光學(xué)系統(tǒng)中。我們介紹了如何進(jìn)行公差分析，并證明添加微透鏡會(huì)顯著提高光纖對(duì)準(zhǔn)的公差。在此步驟結(jié)束時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的耦合效率。
第 3 步：使用 Zemax 在反方向上進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“IN”方向）
在此步驟中，我們開(kāi)始設(shè)計(jì)系統(tǒng)，考慮光從光纖通過(guò)微透鏡傳播到光柵耦合器。
第 4 步：使用 Lumerical 在反方向上進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（“IN”方向）
在此步驟中，使用 Zemax 中的 POP 計(jì)算的場(chǎng)數(shù)據(jù)將導(dǎo)入到 Lumerical中，用于計(jì)算系統(tǒng)的耦合效率。
第 1 步：使用 Lumerical 進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
系統(tǒng)的起點(diǎn)
計(jì)算場(chǎng)并導(dǎo)出為 ZBF 格式
打開(kāi)并運(yùn)行腳本?ZBF Export.lsf。
運(yùn)行腳本后，檢查項(xiàng)目文件夾中?.zbf?文件（Microlens_OUT.zbf）的創(chuàng)建情況。
檢查腳本提示窗口上得到的 Angle 和 Device loss。
該腳本計(jì)算光柵輸出處的空間電場(chǎng)，并將結(jié)果導(dǎo)出到 ZBF 文件中。然后，OpticStudio 可以直接讀取數(shù)據(jù)，以在物理光學(xué)傳播工具 （POP） 中定義光束。
為了在 POP 中沿主光線傳播光束，能量需要沿垂直于 ZBF 平面的方向傳播。因此，在 Lumerical 中記錄電場(chǎng)數(shù)據(jù)的平面應(yīng)垂直于能量傳播的方向。由于光柵不會(huì)在垂直于波導(dǎo)平面的方向上出光，因此需要旋轉(zhuǎn)記錄電場(chǎng)的平面（ZBF 平面）以垂直于傳播方向。
在?ZBF Export.lsf?腳本中，平面的旋轉(zhuǎn)是使用 farfieldexact 函數(shù)執(zhí)行的，該函數(shù)可以將監(jiān)視器收集的場(chǎng)投影到任何指定的平面。傳播光束的角度以及 ZBF 平面的角度會(huì)自動(dòng)計(jì)算并從腳本中得到。
第 2 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“OUT”方向）
光學(xué)系統(tǒng)
復(fù)制?.zbf?文件到?Zemax >POP >BEAMFILES?文件夾中。
在 OpticStudio 中打開(kāi) ZOS 文件?Microlens_OUT.zprj，并在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中檢查系統(tǒng)是如何設(shè)置的。
檢查 System Explorer 上的視場(chǎng)角，使其與步驟 1 中計(jì)算的傳播角一致。
在 POP 中加載上一步中生成的?.zbf?文件。
在 OpticStudio 中，通過(guò)選擇上一步生成的?.zbf?，將 Lumerical 計(jì)算的光束信息加載到 POP 中。光通過(guò)介質(zhì)傳播到微透鏡，然后我們使用Coordinate Breaking，使之與光纖對(duì)準(zhǔn)相關(guān)的各種參數(shù)相對(duì)應(yīng) 。Lumerical 得到的傳播角度在 System Explorer 的 Field 部分手動(dòng)設(shè)置為 ZOS。
為了使耦合高效，重要的是設(shè)計(jì)一個(gè)具有最佳曲率的微透鏡，同時(shí)考慮到與光纖的距離。OpticStudio 提供了優(yōu)化系統(tǒng)的工具，或者通過(guò)簡(jiǎn)單的掃描一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)來(lái)可視化對(duì)耦合效率的影響。我們?cè)谙旅骘@示了鏡頭曲率和光纖在 x 方向上橫向偏移對(duì)耦合效率的影響。
上面的掃描表明，對(duì)于微透鏡中心和光纖之間 300μm 的給定距離，曲率半徑約為 500μm 時(shí)達(dá)到最大耦合效率。然后將微透鏡的曲率半徑設(shè)置為 500μm。
公差分析
微尺度耦合器設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高光纖-波導(dǎo)耦合效率，其效率通常對(duì)錯(cuò)位非常敏感。在封裝中，滿足所需的對(duì)準(zhǔn)公差具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。雖然可以注意到它會(huì)導(dǎo)致峰值耦合效率降低，放寬對(duì)準(zhǔn)容差的常見(jiàn)方法是在微尺度耦合器中添加透鏡。
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴(kuò)束并朝向光纖準(zhǔn)直。擴(kuò)束和準(zhǔn)直依賴于光和大于波長(zhǎng)尺度的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀相互作用。這可以通過(guò) OpticStudio 中的物理光學(xué)傳播 （POP） 進(jìn)行完全模擬。POP 使用標(biāo)量衍射理論在宏觀系統(tǒng)中傳播標(biāo)量場(chǎng)。
對(duì)于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉(zhuǎn) 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴(kuò)展的纖芯。然后，可以通過(guò) Universal Plot 工具對(duì) coordinate breaks執(zhí)行掃描來(lái)評(píng)估 fiber alignment對(duì)耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。為了更好地可視化，從Universal Plot結(jié)果中提取數(shù)據(jù)，歸一化并轉(zhuǎn)換為dB( 10xlog10(Coupling Efficiency) )。
上圖顯示，如果沒(méi)有微透鏡，當(dāng)光纖偏離最佳位置時(shí)，耦合效率下降得更快。使用 3dB 損耗作為參考來(lái)估計(jì)帶寬，我們看到在使用微透鏡時(shí)，對(duì)準(zhǔn)容差會(huì)放寬，這是意料之中的，因?yàn)楣馐诒晃⑼哥R準(zhǔn)直之前會(huì)擴(kuò)束。
系統(tǒng)損耗計(jì)算 - “OUT” 方向
對(duì)于out方向，損耗在 POP 分析窗口的耦合結(jié)果上得到。耦合數(shù)是總的系統(tǒng)損耗與輸出場(chǎng)（微透鏡之后）和光纖模式（在 POP 分析窗口的光纖數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡中選擇）之間的重疊積分的乘積。因此，對(duì)于這個(gè)例子：0.593864 × 0.66287 = 0.39365 ~ 40%。
第 3 步：使用 Zemax 進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)（“IN”方向）
打開(kāi)文件?Microlens_IN.zprj。
在 POP 的 Display 選項(xiàng)卡上，應(yīng)勾選"Save Output Beam To"。
從Zemax >POP >BEAMFILES（默認(rèn)位置）文件夾復(fù)制保存的Microlens__IN.ZBF。
在這種情況下，設(shè)計(jì)從光纖開(kāi)始到耦合器。因此，將根據(jù)先前的 Zemax 文件生成一個(gè)反向設(shè)計(jì)。在此示例中，使用相同的 Tilt Angle about Y 和 Decenter X ，以及上一步計(jì)算的結(jié)果（使用主光線） ，以研究完全相同的光線路徑：
第 4 步：使用 Lumerical 進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)（‘’IN''方向）
將上一步中保存的?.zbf?文件粘貼到 FDTD 文件所在的文件夾中。
打開(kāi)文件?Grating Coupler.fsp。
打開(kāi)并運(yùn)行腳本 ZBF?Import.lsf。
在腳本提示符窗口檢查得到的 Device loss。
運(yùn)行腳本后，可視化光柵內(nèi)耦合的電場(chǎng)圖。器件損耗在 Script Prompt 中得到。
系統(tǒng)損耗計(jì)算 - “IN” 方向
在這種情況下，F(xiàn)DTD 仿真用于獲得更準(zhǔn)確的總損耗估計(jì)。POP 耦合效率的計(jì)算需要一個(gè) “fiber mode”，在這種情況下，是光柵耦合器的beam profile。此 beam profile 可以作為文件導(dǎo)入到 Fiber data 選項(xiàng)卡中。然而，在這種情況下，結(jié)果是根據(jù) POP 的計(jì)算和從 “OUT” 方向下耦合器的光束分布得出的近似值。因此，為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，我們將計(jì)算總損耗，即 POP 分析中報(bào)告的系統(tǒng)損耗（直至微透鏡表面）與 FDTD 仿真中報(bào)告的損耗的乘積。因此，對(duì)于這個(gè)例子：0.45275 × 0.910652 = 0.4123 ~ 41%。正如預(yù)期的那樣，這種情況下，總的系統(tǒng)損耗與前一種情況（“OUT” Direction）一致。
在本例中，F(xiàn)DTD 仿真的網(wǎng)格精度設(shè)置為 1，以縮短仿真時(shí)間。建議對(duì)網(wǎng)格精度進(jìn)行收斂測(cè)試，以獲得準(zhǔn)確的 FDTD 仿真結(jié)果。
在腳本中，遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率設(shè)置為 2^7。這會(huì)影響 ZBF 中保存的場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)在 OpticStudio 中檢查仿真結(jié)果，可以對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率執(zhí)行收斂測(cè)試。
對(duì)Lumerical 針對(duì) Grating coupler 的仿真分析方法中的FDTD 項(xiàng)目文件進(jìn)行了修改，以便光從波導(dǎo)傳播并由場(chǎng)監(jiān)視器收集，而不是直接耦合到光纖上。
對(duì)于沒(méi)有微透鏡的情況，代表光纖平面的場(chǎng)監(jiān)視器被放置在硅層中，微透鏡在氧化層的頂部形成。
對(duì)于 “OUT” 方向，采樣很重要，因?yàn)槟繕?biāo)是獲得更大的guard band，對(duì)于光束傳播，這會(huì)增加倒易空間中的分辨率（POP 依賴于快速傅里葉變換）。
對(duì)于 “IN” 方向，需要仔細(xì)選擇寬度，因?yàn)橛米魍队暗?ZBF 平面尺寸必須小于 lumerical 中導(dǎo)入光源平面的尺寸，以便傳遞全部信息：
最后，重要的是要確保 monitor/import source 和 exchange plane 位于均勻折射率區(qū)域中。
類似的工作流可以應(yīng)用于邊緣耦合器。描述光束的 .zbf文件可以直接從FDTD的場(chǎng)監(jiān)視器中導(dǎo)出，而無(wú)需執(zhí)行本例中使用的遠(yuǎn)場(chǎng)投影腳本。
“ZBF 平面”所需角度、位置和跨度的計(jì)算可以根據(jù)光柵設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)算。
POP 現(xiàn)在支持黑盒，因此制造商提供的 ZOS 文件可以合并到此示例中。
Zemax POP 分析是在數(shù)據(jù)的中心完成的。因此，對(duì)于out 方向，旋轉(zhuǎn)ZBF 平面很重要，提取的數(shù)據(jù)也要位于中心。這是使用 zbf_exchange_functions.lsf 腳本中包含的遠(yuǎn)場(chǎng)投影和分析函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。
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