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Lumerical 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化

发布日期:
2022-12-09

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01

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。


Lumerical 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化



02

综述


Lumerical 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化


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,可以将损耗降至极低。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。


03

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。

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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 。


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纤芯长度扫描

确定纤芯的上佳长度。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,极大传输发生在~37 μm的纤芯长度处。

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taper宽度扫描

确定taper区域的上佳宽度,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。


Lumerical 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化

第 2 步:S参数提取

找到上佳设计后,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。


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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。

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