【Lumerical系列】无源器件-端面耦合器3丨仿真流程
本期是Lumerical系列中无源器件专题-端面耦合器第三期。本期主要展示从设计端面耦合器，到参数优化以实现模式的最大耦合效率，最后利用端面耦合器的S参数在INTERCONNECT中生成紧凑模型的整个流程。引言
集成光子芯片中光的输入和输出有两种常用方法，即通过光栅耦合器或端面耦合器。虽然光栅耦合器为从芯片上的任何位置输入和输出光提供了一种非破坏性解决方案，但由于光栅耦合器的色散工作原理，其带宽可能受到限制。而端面耦合器需要额外的切割和抛光工艺来创建耦合面，但其优势在于能提供较大的工作带宽。
本期文章参考文献[1]设计了一个基于绝缘体上硅（SOI）结构的端面耦合器，该耦合器能高效地将光耦合进/出传统SMF-28光纤，工作中心波长为1550 nm，其结构示意图如图1所示。图1 （a）端面耦合器结构示意图；（b）横截面示意图如上图所示，该端面耦合器包含3个Si3N4层，且硅波导采用倒锥形结构，用于将光场扩展成更大的波导模式，使其与光纤模式更兼容。此外，Si3N4层的有效折射率由亚波长光栅控制，即高折射率（Si3N4）和低折射率（SiO2）材料的交替条带。该器件的品质因数（FOM）是波导模式和光纤模式之间的耦合效率，它是有效折射率失配和模式尺寸失配的函数。在此示例中，重点是优化光纤位置和倒锥形波导的长度。对于倒锥形波导的设计，使用本征模扩展（EME）方法，因为它允许在扫描器件长度或器件的任何部分时立即重新计算S矩阵结果，不需重复运行仿真。设计过程包括以下5个主要步骤：1）利用FDE对光纤位置进行优化。
2）利用EME对无基底的倒锥形波导长度进行优化。
3）加入基底，利用EME进行最终优化。
4）S参数提取：运行以获取作为波长函数的S参数并将结果导出到数据文件。
5）紧凑模型创建：将S参数数据导入INTERCONNECT。步骤1：利用FDE对光纤位置进行优化
将FDE求解器放置在SMF-28光纤和倒锥形波导相接的截面处，分别计算二者的横截面模场分布。首先是计算SMF-28光纤，运行FDE并计算模式，右键单击mode1以添加至全局卡组中，然后再运行FDE用于计算倒锥形波导截面的模式，选择波导中的mode1，然后单击特征模式分析窗口下的重叠分析标签，选择保存到全局卡组中的光纤模式并计算两种模式之间的重叠积分。单击优化位置以计算优化的光纤位置，从而实现最大的模式重叠，此时，两模式的重叠达到93％，如图2所示。步骤2：利用EME对无基底的锥形波导长度进行优化
EME求解器会将倒锥形波导划分成多个单元，运行EME会计算所有模式在不同单元之间的重叠，当EME分析窗口弹出时，单击“eme propagate”，传播完成后就能从监视器中可视化场，如图3所示。接下来开始优化倒锥形波导长度，将EME分析窗口的“propagation sweep”选项中的“group span 2”设置为10-2000 μm，共计100个点。传输完成后，单击“visualize eme sweep”以查看波导的透过率，即abs(S21)^2，如图4所示。结果显示，当波导的长度为1500 μm时透过率最大，即达到了最大耦合。步骤3：利用EME对加入基底的锥形长度进行最终优化
在EME仿真中加入基底结构，然后采用与步骤2相同的方法在“propagation sweep”使用100个点对10-2000 μm进行扫描，其透过率如图5所示。通过对比图4可以发现透过率的峰值有所下降，原因在于硅基底的厚度会影响泄漏损耗，且长度越长其损耗越大，因此最佳锥形长度确认为1500 μm。步骤4：S参数提取
使用脚本扫描C波段的6种不同波长，每个波长S参数提取步骤：
2)以1500 μm的最佳倒锥形长度运行emepropagate；3)最后将S参数结果保存为波长函数，格式应与INTERCONNECT兼容。步骤5：紧凑模型创建
在INTERCONNECT中添加1个Optical N Port S-Parameter元件和1个Optical Network Analyzer元件，并将步骤4中保存的S参数数据加载到Optical N Port S-Parameter元件中，如图6（a）所示。运行并查看光网络分析仪的传输结果，结果如图6（b）所示。这个基于MODE设计器件的紧凑模型可以用于INTERCONNECT电路级仿真。图6 生成端面耦合器的紧凑模型。（a）示意图；（b）传输结果参考：
[1] Papes M, Cheben P, Benedikovic D, et al. Fiber-chip edge coupler with large mode size for silicon photonic wire waveguides[J]. Optics express, 2016, 24(5): 5026-5038. [2] https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042305354-Edge-coupler
