Lumerical | 针对 Grating coupler 的仿真分析方法

说明

本文旨在介绍 Ansys Lumerical 针对 Grating coupler 的仿真分析方法。通过设计一个光栅耦合器，将光子芯片表面的单模光纤连接到集成波导，并使用优化工具用于最大化耦合效率，并使用S 参数创建 INTERCONNECT 中的紧凑模型。

综述

本示例的目标是设计一个 TE 绝缘体上硅 (SOI) 耦合器，该耦合器具有布拉格光栅结构和顶部注入的单模光纤。此设计中的关键品质因数 (FOM) 是目标波长处的耦合效率。耦合效率与光栅间距 p, 蚀刻长度 le，蚀刻深度he，光纤位置 x 以及光纤倾斜角θ 都有关。

这五个参数通常一起优化，以最大化目标中心波长处的耦合效率。 由于具有五个参数的 3-D 优化非常耗时，因此此处使用 2-D 和 3-D 模型的组合并仅改变三个几何参数进行两阶段优化。 设计工作流程包括四个主要步骤。

步骤1：初始2D优化：优化光栅间距 p、占空比 d 和光纤位置 x

使用Lumerical “Optimizations and Sweeps” 功能，优化完成后，最佳参数结果也将显示在优化状态窗口中，如下所示：

步骤2：最终3D优化：优化光纤的位置 x 以最小化插入损耗

3D 优化最佳 FOM 如下图所示：

步骤3：S 参数提取：运行 S 参数扫描并将结果导出到数据文件

获得的 s 参数光谱表明在目标波长处的功率耦合效率约为 40%，如下图所示：

步骤4：紧凑模型创建：将 S 参数数据导入Interconnect

在 INTERCONNECT 中测量的功率传输与步骤 3 中获得的 s 参数功率传输相同。