Ansys Lumerical | 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化

说明

本示例演示通过1×2端口多模干涉(MMI)耦合器计算宽带传输和光损耗，并使用S参数在 INTERCONNECT 中创建 MMI 的紧凑模型。

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综述

低损耗光耦合器和光分路器是基于 Mach-Zehnder 的光调制器的基本组件，是集成电路的关键组成部分。通过在输入和输出波导处使用 taper 以确保输入和输出波导的模式与干涉区域之间的良好匹配，可以将损耗降至最低。EME 求解器非常适合表征这些器件，本例中的器件针对TE模式进行了优化，但该方法可以扩展到任何设计和极化。

运行和结果

第1步：优化 MMI 几何结构

使用EME运行一系列参数扫描以优化 MMI 性能。

· 模式收敛扫描

确保每个单元格中的模式数量足以给出准确的结果，模式收敛扫描是确保仿真结果可靠的重要部分，应作为 EME 仿真文件初始设置的一部分来完成。下图显示输出端口的传输结果收敛于约15种模式，稍大的值用于确保模式数量足以满足本示例中使用的其他扫描（如波长、纤芯长度和锥形宽度）。右图为从 field_profile 监视器获得的电场强度。

· 波长扫描

EME 是一种单频求解器，参数扫描是获得宽频结果所必需的。将波长扫描设置为1.5~1.6 µm，具有100个波长点，按波长扫描。波长扫描选项卡返回S矩阵，然后可以根据S矩阵的S21元素计算从端口1通过端口2的基本TE模式传输。下图显示了使用EME分析窗口中的波长扫描功能获得的1.1 µm taper 宽度的 MMI 传输与波长的函数关系 。

· 纤芯长度扫描

确定纤芯的最佳长度。涉及改变区域长度的扫描非常适合EME求解器，因为几乎可以立即获得结果，下图显示了作为纤芯长度函数的传输。从图中可以看出，最大传输发生在~37 µm的纤芯长度处。

· taper宽度扫描

确定taper区域的最佳宽度,在“Optimizations and Sweeps”窗口中，设置参数扫描任务，将结构组的宽度属性扫描在0.4μm~1.1μm之间，并收集S矩阵。脚本文件用于运行此参数扫描并收集S矩阵结果。然后将从S矩阵的S21元素获得的值平方，以提供通过两个输出端口的传输,结果绘制如下。

第 2 步：S参数提取

找到最佳设计后，提取S参数作为每个感兴趣模式的波长函数。MMI_write_s_params.lsf 脚本文件提取 1×2 MMI 耦合器的s参数（作为TE和TM模式波长的函数）并将它们保存到文件 MMI-s-params.txt 中。

下图显示了TE和TM模式到输出端口之一的传输，正如预期的那样，TE模式性能更好，因为该设备是为TE模式设计的。

第 3 步：INTERCONNECT 中的电路仿真

使用光学n端口S参数(SPAR)元素在 INTERCONNECT 中创建一个紧凑模型，并将第2步得到的数据导入。通过重现上一步中获得的传输曲线来验证 MMI 紧凑模型。该图显示了两种偏振的传输。