Ansys Lumerical | 用于光子集成电路的集成微透镜和光栅耦合器

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本文介绍了一种用于光子集成电路光纤-波导耦合系统的多尺度仿真工作流程。光与光栅耦合器在微观上的相互作用使用 Ansys Lumerical 进行仿真，而 Ansys Zemax OpticStudio 则用于宏观传播和公差分析。此示例的工作流由四个步骤组成。前两个步骤模拟了光从光栅耦合器传播到光纤（“出”方向），而后两个步骤模拟了光从光纤传播到光栅耦合器（“入”方向）。分析了两个方向对系统损耗的贡献，以及对光纤横向偏移的公差分析。

概述

由于模式失配以及对光纤和波导之间的错位高度敏感，高效的光纤-波导耦合器设计非常具有挑战性。为了应对这一挑战，复杂的耦合器设计涉及光与微观及宏观结构相互作用。在不同尺度级别上对这些复杂的相互作用进行仿真和优化对于耦合器的设计至关重要。在本文中，我们介绍了一种多尺度的仿真工作流，利用 Ansys Lumerical 和 Ansys Zemax OpticStudio 之间的互操作性来设计耦合器。在可以解决高效耦合器设计挑战的各种耦合机制中，我们提出了一种带有光栅耦合器的解决方案，其中在光栅上方添加微透镜以提高光纤对准的公差。工作流划分如下：

第 1 步：使用 Lumerical 进行微观设计（“OUT”方向）

对于设计的起点，假设我们有一个经过优化的光栅。有关如何优化光栅以实现波导与光纤耦合的更多详细信息，请参阅文章 Ansys Lumerical｜针对 Grating coupler 的仿真分析方法。

Ansys Lumerical 的 FDTD 求解器用于计算光栅输出端的电场。然后将结果导出到 .zbf 文件中。

第 2 步：使用 Zemax 进行宏观设计（“OUT”方向）

步骤 1 中的 .zbf 文件被导入 OpticStudio 中，用于将光进一步传播到光学系统中。我们介绍了如何进行公差分析，并证明添加微透镜会显著提高光纤对准的公差。在此步骤结束时计算系统的耦合效率。

第 3 步：使用 Zemax 在反方向上进行宏观设计（“IN”方向）

在此步骤中，我们开始设计系统，考虑光从光纤通过微透镜传播到光栅耦合器。

第 4 步：使用 Lumerical 在反方向上进行微观设计（“IN”方向）

在此步骤中，使用 Zemax 中的 POP 计算的场数据将导入到 Lumerical中，用于计算系统的耦合效率。

运行和结果

第 1 步：使用 Lumerical 进行微观设计（“OUT”方向）

系统的起点

打开文件 Grating Coupler.fsp 并检查系统是如何设置的。

在此步骤中，我们认为光栅已经优化。有关更多详细信息，请参阅文章 Ansys Lumerical｜针对 Grating coupler 的仿真分析方法。

光从波导注入并从光栅出射。FDTD 求解器的仿真区域设置为覆盖光与光栅相互作用的区域，并在出光的位置上方放置一个监视器。

计算场并导出为 ZBF 格式

打开并运行脚本 ZBF Export.lsf。
运行脚本后，检查项目文件夹中 .zbf 文件（Microlens_OUT.zbf）的创建情况。
检查脚本提示窗口上得到的 Angle 和 Device loss。

该脚本计算光栅输出处的空间电场，并将结果导出到 ZBF 文件中。然后，OpticStudio 可以直接读取数据，以在物理光学传播工具（POP）中定义光束。

为了在 POP 中沿主光线传播光束，能量需要沿垂直于 ZBF 平面的方向传播。因此，在 Lumerical 中记录电场数据的平面应垂直于能量传播的方向。由于光栅不会在垂直于波导平面的方向上出光，因此需要旋转记录电场的平面（ZBF 平面）以垂直于传播方向。

在 ZBF Export.lsf 脚本中，平面的旋转是使用 farfieldexact 函数执行的，该函数可以将监视器收集的场投影到任何指定的平面。传播光束的角度以及 ZBF 平面的角度会自动计算并从脚本中得到。

第 2 步：使用 Zemax 进行宏观设计（“OUT”方向）

光学系统

复制 .zbf 文件到 Zemax >POP >BEAMFILES 文件夹中。
在 OpticStudio 中打开 ZOS 文件 Microlens_OUT.zprj，并在镜头数据编辑器中检查系统是如何设置的。
检查 System Explorer 上的视场角，使其与步骤 1 中计算的传播角一致。
在 POP 中加载上一步中生成的 .zbf 文件。

在 OpticStudio 中，通过选择上一步生成的 .zbf ，将 Lumerical 计算的光束信息加载到 POP 中。光通过介质传播到微透镜，然后我们使用Coordinate Breaking，使之与光纤对准相关的各种参数相对应。Lumerical 得到的传播角度在 System Explorer 的 Field 部分手动设置为 ZOS。

为了使耦合高效，重要的是设计一个具有最佳曲率的微透镜，同时考虑到与光纤的距离。OpticStudio 提供了优化系统的工具，或者通过简单的扫描一个或两个参数来可视化对耦合效率的影响。我们在下面显示了镜头曲率和光纤在 x 方向上横向偏移对耦合效率的影响。

上面的扫描表明，对于微透镜中心和光纤之间 300μm 的给定距离，曲率半径约为 500μm 时达到最大耦合效率。然后将微透镜的曲率半径设置为 500μm。

公差分析

微尺度耦合器设计可以实现高光纤-波导耦合效率，其效率通常对错位非常敏感。在封装中，满足所需的对准公差具有挑战性且成本高昂。虽然可以注意到它会导致峰值耦合效率降低，放宽对准容差的常见方法是在微尺度耦合器中添加透镜。

添加微透镜为从光栅中提取的光束留出了一些空间，以便于其扩束并朝向光纤准直。扩束和准直依赖于光和大于波长尺度的特征结构进行宏观相互作用。这可以通过 OpticStudio 中的物理光学传播（POP）进行完全模拟。POP 使用标量衍射理论在宏观系统中传播标量场。

对于 300μm 硅层顶部带有400μm曲率半径的微透镜的光栅耦合器，ZBF 平面旋转 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纤中，这表示光纤具有扩展的纤芯。然后，可以通过 Universal Plot 工具对 coordinate breaks执行扫描来评估 fiber alignment对耦合效率的影响。

Zemax 提供耦合效率。为了更好地可视化，从Universal Plot结果中提取数据，归一化并转换为dB( 10xlog10(Coupling Efficiency) )。

上图显示，如果没有微透镜，当光纤偏离最佳位置时，耦合效率下降得更快。使用 3dB 损耗作为参考来估计带宽，我们看到在使用微透镜时，对准容差会放宽，这是意料之中的，因为光束在被微透镜准直之前会扩束。

系统损耗计算 - “OUT” 方向

对于out方向，损耗在 POP 分析窗口的耦合结果上得到。耦合数是总的系统损耗与输出场（微透镜之后）和光纤模式（在 POP 分析窗口的光纤数据选项卡中选择）之间的重叠积分的乘积。因此，对于这个例子：0.593864 × 0.66287 = 0.39365 ~ 40%。

第 3 步：使用 Zemax 进行宏观设计（“IN”方向）

打开文件 Microlens_IN.zprj。
在 POP 的 Display 选项卡上，应勾选"Save Output Beam To"。
从Zemax >POP >BEAMFILES（默认位置）文件夹复制保存的Microlens__IN.ZBF。

在这种情况下，设计从光纤开始到耦合器。因此，将根据先前的 Zemax 文件生成一个反向设计。在此示例中，使用相同的 Tilt Angle about Y 和 Decenter X ，以及上一步计算的结果（使用主光线），以研究完全相同的光线路径：

第 4 步：使用 Lumerical 进行微观设计（“IN”方向）

将上一步中保存的 .zbf 文件粘贴到 FDTD 文件所在的文件夹中。
打开文件 Grating Coupler.fsp。
打开并运行脚本 ZBF Import.lsf。
在脚本提示符窗口检查得到的 Device loss。

运行脚本后，可视化光栅内耦合的电场图。器件损耗在 Script Prompt 中得到。

系统损耗计算 - “IN” 方向

在这种情况下，FDTD 仿真用于获得更准确的总损耗估计。POP 耦合效率的计算需要一个 “fiber mode”，在这种情况下，是光栅耦合器的beam profile。此 beam profile 可以作为文件导入到 Fiber data 选项卡中。然而，在这种情况下，结果是根据 POP 的计算和从 “OUT” 方向下耦合器的光束分布得出的近似值。因此，为了获得更准确的结果，我们将计算总损耗，即 POP 分析中报告的系统损耗（直至微透镜表面）与 FDTD 仿真中报告的损耗的乘积。因此，对于这个例子：0.45275 × 0.910652 = 0.4123 ~ 41%。正如预期的那样，这种情况下，总的系统损耗与前一种情况（“OUT” Direction）一致。

重要的模型设置

在本例中，FDTD 仿真的网格精度设置为 1，以缩短仿真时间。建议对网格精度进行收敛测试，以获得准确的 FDTD 仿真结果。

在脚本中，远场分辨率设置为 2^7。这会影响 ZBF 中保存的场数据的准确性。通过在 OpticStudio 中检查仿真结果，可以对远场分辨率执行收敛测试。

对 Ansys Lumerical｜针对 Grating coupler 的仿真分析方法中的FDTD 项目文件进行了修改，以便光从波导传播并由场监视器收集，而不是直接耦合到光纤上。

对于没有微透镜的情况，代表光纤平面的场监视器被放置在硅层中，微透镜在氧化层的顶部形成。

对于这两种情况（“OUT”和“IN”方向），重要的是要考虑 ZBF（导出和导入）平面上 POP 分析窗口的分辨率和宽度。这些通常在 ZOS 中自动计算，但建议在镜头数据编辑器的 Physical optics 选项卡上为每个相应表面手动选择这些参数（通过选中 Resample after refraction 框）：

对于 “OUT” 方向，采样很重要，因为目标是获得更大的guard band，对于光束传播，这会增加倒易空间中的分辨率（POP 依赖于快速傅里叶变换）。有关更多信息，请联系工作人员。

对于 “IN” 方向，需要仔细选择宽度，因为用作投影的 ZBF 平面尺寸必须小于 lumerical 中导入光源平面的尺寸，以便传递全部信息：

最后，重要的是要确保 monitor/import source 和 exchange plane 位于均匀折射率区域中。

进一步扩展模型

类似的工作流可以应用于边缘耦合器。描述光束的 .zbf文件可以直接从FDTD的场监视器中导出，而无需执行本例中使用的远场投影脚本。
“ZBF 平面”所需角度、位置和跨度的计算可以根据光栅设计自动计算。
POP 现在支持黑盒，因此制造商提供的 ZOS文件可以合并到此示例中。

附录

Zemax POP 分析是在数据的中心完成的。因此，对于out 方向，旋转ZBF 平面很重要，提取的数据也要位于中心。这是使用 zbf_exchange_functions.lsf 脚本中包含的远场投影和分析函数实现的。

参考文献

Yi-Hao Chen, Angel Morales, Federico Duque Gomez, Taylor Robertson, Han-Hsiang Cheng, Hui Chen, Sean Lin, Kyle Johnson, "Design fiber-to-waveguide coupling for photonic integrated circuits," Proc. SPIE 12427, Optical Interconnects XXIII, 124270B (8 March 2023)
Marchetti, R., Lacava C., Carroll L., Gradkowski K., and Minzioni P., "Coupling strategies for silicon photonics integrated chips [Invited]," Photonics Research 7(2), 201-239 (2019).
Mangal N., Snyder B., Campenhout J.V., Steenberge G.V., Missinne J., "Expanded-Beam Backside Coupling Interface for Alignment-Tolerant Packaging of Silicon Photonics", IEEE JSTQE 26(2), 1-7 (2019)

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