1.? 使用Ansys Zemax Opticstudio打開(kāi)文件
2.? Step2_FiberEC_Misalignment.zprj
3.? 使用POP的分析窗口設(shè)置“Save Output Beam To:”保存文件edgecoup_zbf_mode.zbf
該Zemax項(xiàng)目文件將啟動(dòng)OpticStudio窗口。默認(rèn)情況下，復(fù)位將使用項(xiàng)目文件夾作為文件源。在Lumerical腳本中，我們假設(shè)情況如此，因此只需通過(guò)復(fù)位窗口單擊確定，或根據(jù)您的偏好進(jìn)行更新。
包含的OpticStudio模型的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（(LDE）被設(shè)置為：
●?光纖發(fā)射面（表面1）
●?靠近光纖發(fā)射平面的虛擬表面（表面2），已通過(guò)表面屬性定義，用于對(duì).ZBF數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行重采樣。這有助于在FDE求解器的電場(chǎng)周圍創(chuàng)建保護(hù)帶。有關(guān)該設(shè)置的更多討論，請(qǐng)參閱重要模型設(shè)置部分。
●?微透鏡，應(yīng)用于光纖表面（表面3-4）
●?光纖和微透鏡中心錯(cuò)位（表面6-7）
注意：這些表面還支持光纖的傾斜/傾斜錯(cuò)位。本例中的光纖和微透鏡組件應(yīng)用傾斜/傾斜錯(cuò)位來(lái)圍繞光纖發(fā)射平面的表面頂點(diǎn)（表面的中心點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)。這些步驟中沒(méi)有利用這種錯(cuò)位，但可以在“進(jìn)一步研究模型”部分中找到一些討論。
●?從微透鏡后頂點(diǎn)到SSC平面（表面9）的最終傳播
光纖與微透鏡的偏心平移錯(cuò)位通過(guò)表面7、參數(shù)偏心X和偏心Y來(lái)定義。光纖與微透鏡到SSC平面的離焦（微透鏡-芯片距離）通過(guò)表面9參數(shù)“厚度”來(lái)設(shè)置。
現(xiàn)在，我們來(lái)驗(yàn)證物理光學(xué)傳播（POP）分析的設(shè)置。POP分析可以讀取任意.ZBF文件作為輸入光束，以通過(guò)透鏡系統(tǒng)傳播。這可以通過(guò)進(jìn)入POP設(shè)置并在 “Beam Definition” 選項(xiàng)卡中選擇來(lái)完成：
●?光束類型：“Files”
●?文件：[FileName.ZBF] (本案例中為“fiber_ZBF_mode.zbf”)
或者，可以將光束類型指定為已知腰圍的高斯腰，或者使用其他選項(xiàng)之一。
光束傳播的順序?yàn)椋?strong style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-size: 16px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">POP…General tab…Start Surface through …End Surface。
為了將光束文件返回Lumerical中進(jìn)行步驟3，必須在端面位置保存一個(gè)新的.ZBF文件。這可以通過(guò)設(shè)置“POP…Display tab…Save Output Beam To:”來(lái)完成。必須選中此設(shè)置，然后用戶才能輸入文件名。已保存的表示SSC平面電場(chǎng)的.ZBF文件將存儲(chǔ)在“{Zemax}\POP\BEAMFILES\”文件夾中。
請(qǐng)注意，根據(jù)您在“OpticStudio Preferences”下保存的首選項(xiàng)，無(wú)論您在提取 OpticStudio項(xiàng)目時(shí)選擇了什么選項(xiàng)，POP 文件夾都可以與項(xiàng)目文件位于同一文件夾中，也可以位于“Documents”中的默認(rèn)位置。
重新運(yùn)行打開(kāi)的POP窗口。每次執(zhí)行POP分析時(shí)，它都會(huì)按照 “Display tab”選項(xiàng)卡中的定義存儲(chǔ).ZBF文件。請(qǐng)注意，它將始終按照“Save Output Beam To:”文本框中指定的名稱保存，因此如果用戶打算從獨(dú)特設(shè)置（例如從不同的錯(cuò)位）傳遞.ZBF信息，則需要更改此文本框中的名稱或Windows文件資源管理器中的名稱。
評(píng)估傳播數(shù)據(jù)以確保結(jié)果準(zhǔn)確是一種很好的做法。一種方法是在物理光學(xué)傳播分析窗口中打開(kāi)“Prop Report”選項(xiàng)卡。此選項(xiàng)卡提供有關(guān)場(chǎng)本身傳播的基于文本的逐面信息，并生成警告消息供用戶參考。例如，下圖顯示了一條警告，其中POP分析中表面的傳遞函數(shù)有“too many waves of phase,”，這意味著模型中可能存在嚴(yán)重的像差，這會(huì)限制POP程序的準(zhǔn)確性。
用戶還可以直接查看表示光束在傳播過(guò)程中的電場(chǎng)的表面特定數(shù)據(jù)陣列。勾選“POP…Display Tab…Save Beam At All Surfaces:”選項(xiàng)即可啟用此功能。
完成POP分析后，將為每個(gè)表面創(chuàng)建.ZBF文件，可以通過(guò)“Analyze tab…Beam File Viewer”工具打開(kāi)這些文件。在該工具的設(shè)置中，用戶可以選擇他們感興趣的.ZBF文件，其語(yǔ)法為“[edgecoup_zbf_mode]_nnnn_1.zbf”，其中[]中的名稱是基于此設(shè)置之前的文本框，nnnn指的是存儲(chǔ).ZBF數(shù)據(jù)的表面編號(hào)。
為了匯總OpticStudio用戶界面中工作流程下一步所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器 (MFE) 已預(yù)先定義操作數(shù)，用于得到有關(guān)光束在最終平面的截距、光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的傳輸以及光束中心光線的k矢量的具體數(shù)據(jù)。
表面6系統(tǒng)的MFE“‘Tilt About X’=2 degrees and‘Tilt About Y’=1 degree”
●?第1-2行“REAX/REAY”操作數(shù)報(bào)告中心射線在SSC平面（圖像表面）的X/Y截距。
●?第3-4行“POPD”操作數(shù)報(bào)告注入模式的輸入和輸出功率（以瓦為單位），需要注意的是，在POP分析中輸入功率設(shè)置為1W。
●?第5-6行“POPD”操作數(shù)報(bào)告由POP測(cè)量的SSC平面上的場(chǎng)X和Y光束寬度。
●?第7行“DIVI”操作數(shù)報(bào)告輸入和輸出功率行的比率
●?第8-9行“ZPLM”操作數(shù)使用為本文編寫(xiě)的 ZPL（Zemax 編程語(yǔ)言）宏來(lái)報(bào)告中心射線的kx和ky矢量，以便對(duì)該光束進(jìn)行投影計(jì)算
要導(dǎo)出這些結(jié)果，請(qǐng)將“FiberToEdge_OpticStudioResults.zpl”文件復(fù)制到您的項(xiàng)目或系統(tǒng)“MACROS”文件夾。從“Programming”選項(xiàng)卡打開(kāi)“Macro List”并運(yùn)行上述ZPL文件，您可能需要在復(fù)制文件后刷新此列表。幾秒鐘后，您應(yīng)該會(huì)收到一條更新，提示文本文件已寫(xiě)入項(xiàng)目文件夾。
1.打開(kāi)文件“Step3_Coupling_FDTD.fsp”
2.在“Script File Editor”選項(xiàng)卡中，打開(kāi)腳本文件“Step3_run_FDTD_EC.lsf”，并將變量“file_path”中的路徑設(shè)置為Zemax POP文件夾，通常在“User\\Documents\\Zemax\\POP\\BEAMFILES\\”中。注意：如果您將 POP文件夾的路徑復(fù)制到腳本中，請(qǐng)確保將“\”替換為“\\”，以確保腳本正常運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤
3.運(yùn)行腳本文件
該文件包含通過(guò)自由空間傳播后的模斑轉(zhuǎn)換器的FDTD模型。
其幾何結(jié)構(gòu)由一個(gè)大的氧化物脊波導(dǎo)、一些氮化物層以及絕緣體上硅波導(dǎo)組成。
該腳本將從Zemax OpticStudio導(dǎo)入ZBF模場(chǎng)，以及從步驟2中寫(xiě)入的文本文件中導(dǎo)入重要的對(duì)齊參數(shù)。這些數(shù)組和值用于定義與 POP 模擬輸出處的模場(chǎng)等效的源。
需要注意的是，Lumerical和Zemax使用不同的坐標(biāo)系。腳本文件中的變量“x_off”和“y_off”將分別在水平和垂直方向上移動(dòng)FDTD導(dǎo)入光源，并對(duì)應(yīng)于OpticStudio 中“Surface 8”中的“Decenter X”和“Decenter Y”。小角度傾斜參數(shù) kx 和 ky 在進(jìn)一步構(gòu)建模型部分中討論，但這里不使用。
構(gòu)建光源代碼后，腳本將運(yùn)行 FDTD 文件并從自由空間傳播到芯片邊緣內(nèi)。這些場(chǎng)由監(jiān)視器“T”捕獲，腳本將E和H場(chǎng)保存在MAT文件中以供下一步使用。
1.打開(kāi)文件“Step4_EdgeCouper.lms”
2.運(yùn)行“Step4_run_EME_EC.lsf”
該文件包含與FDTD仿真相同的幾何結(jié)構(gòu)，后者取自端面耦合器模斑轉(zhuǎn)換器示例。我們進(jìn)行了一些修改，使其更加通用，但需要額外的計(jì)算。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱EME中的EME收斂。
此腳本將導(dǎo)入上一步端口1中的模場(chǎng)，繪制它們以進(jìn)行驗(yàn)證，然后運(yùn)行仿真。該仿真已做修改，使其在大多數(shù)對(duì)準(zhǔn)輸入下都是準(zhǔn)確的，但代價(jià)是計(jì)算效率較低?？赡苄枰恍r(shí)才能運(yùn)行完成，運(yùn)行結(jié)束后，它將輸出鏡頭系統(tǒng)、接口處的功率損耗、SSC中的損耗以及總組合功率損耗。
工作流程涉及導(dǎo)入和導(dǎo)出電場(chǎng)的ZBF數(shù)據(jù)。從Lumerical導(dǎo)出ZBF文件時(shí)，需要重新采樣，因?yàn)镻OP需要
●?具有均勻空間采樣的陣列
●?大?。╪,n）,n是2的冪
●?中心點(diǎn)位于0.5*n+1
在FDE中，使用距離足夠遠(yuǎn)以不影響模式分布的金屬邊界條件來(lái)計(jì)算光纖模式；但是，這種分離無(wú)法為POP提供足夠的保護(hù)帶。我們預(yù)先在LDE中定義一個(gè)表面，以使用LDE…表面屬性對(duì)注入模式進(jìn)行重新采樣，并在光束周圍創(chuàng)建一個(gè)保護(hù)帶（表面2），以避免可能產(chǎn)生的任何衍射偽影。有關(guān)更多信息，請(qǐng)查看文章《ZBF導(dǎo)入/導(dǎo)出》。
界面處的FDTD建模：
FDTD是麥克斯韋方程的通用實(shí)現(xiàn)，用于此工作流程使用它來(lái)避免EME在非正常自由空間傳播計(jì)算中遇到的挑戰(zhàn)。鑒于在大多數(shù)情況下，輸入光的k矢量不一定與傳播軸完全對(duì)齊，我們加入了FDTD來(lái)幫助模擬界面處的物理現(xiàn)象。
EME設(shè)置和收斂測(cè)試：
在大多數(shù)情況下，光不會(huì)關(guān)于SSC的對(duì)稱軸對(duì)稱，因此我們禁用了對(duì)稱邊界條件。在EME中，強(qiáng)制對(duì)稱有助于減少模式數(shù)量以及局部和整體的仿真體積。這意味著我們需要將所有單元組中的模式數(shù)量增加一倍，并且每次計(jì)算的時(shí)間將延長(zhǎng)2倍。這增加了一些不可避免的額外計(jì)算要求，并且此步驟將需要大約1小時(shí)，具體取決于您使用的計(jì)算機(jī)。
為了避免進(jìn)一步的計(jì)算要求和收斂挑戰(zhàn)，我們移除了大多數(shù)SOI晶圓中都會(huì)存在的硅襯底。在許多情況下，散射到Si襯底中的光將是一個(gè)重要的損耗通道，應(yīng)該加以考慮。
對(duì)于EME仿真，有幾個(gè)因素會(huì)影響收斂：
●?使用的 cell數(shù)量
●?橫向網(wǎng)格分辨率
●?使用的模式數(shù)量
理想情況下，我們希望達(dá)到這樣的程度：增加任何這些屬性對(duì)結(jié)果的影響都微不足道?？梢允褂媚_本自動(dòng)循環(huán)不同數(shù)量的模式、cell或橫向網(wǎng)格。此外，查看前向傳播模式的系數(shù)也很有用。這將顯示在傳播時(shí)使用了哪些高階模式。
1.更新不同光纖和光學(xué)模式的工作流程：要將工作流程用于不同的光纖，請(qǐng)更新“Step1_Fiber_Device.lms”文件，并將“SMF-28”結(jié)構(gòu)組替換為目標(biāo)光纖的幾何形狀。注意，需要更新“FDE”求解器對(duì)象以及“網(wǎng)格”對(duì)象的幾何形狀和屬性。要將所需模式記錄到ZBF文件中，請(qǐng)編輯Step1_run_FDE_EC.lsf腳本文件以從正確模式收集電場(chǎng)分布（E_p1或E_p2）。
2.使用不同的鏡頭或鏡頭組合進(jìn)行設(shè)計(jì)：OpticStudio中的項(xiàng)目文件“Step2_fiber_to_edgecoup.zmx”可以更新以包含不同類型的鏡頭或鏡頭組合。這可以通過(guò)在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（LDE）中添加或編輯表面來(lái)完成。例如，可以通過(guò)表面5的“Radius”值編輯微透鏡的曲率半徑。
3.更新模斑轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)：要使用具有不同模斑轉(zhuǎn)換器的工作流程，請(qǐng)編輯“Step4_Edge_Coupler_No_Substrate.lms”項(xiàng)目文件，并將“Taper”結(jié)構(gòu)組替換為您自己的模斑轉(zhuǎn)換器的幾何形狀。請(qǐng)注意，“EME”求解器對(duì)象及其端口（port_1和port_2）的幾何形狀和屬性可能需要相應(yīng)更新。
雖然此工作流程中的項(xiàng)目文件已設(shè)置為通過(guò)X、Y和Z軸的偏移對(duì)互連系統(tǒng)的錯(cuò)位進(jìn)行建模，但這些文件也設(shè)置為支持由于傾斜而導(dǎo)致的錯(cuò)位。光纖+微透鏡繞X和Y軸的傾斜錯(cuò)位通過(guò)Surface 6中的參數(shù)“Tilt About X”和“Tilt About Y”捕獲。當(dāng)將傾斜誤差引入此工作流程時(shí)，用戶應(yīng)牢記其他注意事項(xiàng)。
POP的操作是：當(dāng)光束保存在POP設(shè)置的端面上時(shí)，保存數(shù)據(jù)陣列的平面與用于傳播光束的場(chǎng)點(diǎn)的中心（主）射線正交。由于傾斜誤差，意味著該主射線在最終SSC平面上的入射角不為零。
對(duì)于涉及光束在SSC平面上傾斜到達(dá)的錯(cuò)位，需要將此陣列的方向（現(xiàn)相對(duì)于SSC平面傾斜）投影到與SSC面共面，以方便將數(shù)據(jù)移交給 Lumerical FDTD。對(duì)于小角度，通過(guò)向場(chǎng)添加額外的相位因子kx和ky來(lái)實(shí)現(xiàn)的，基于將主中心射線k投影到芯片邊緣的法向量n上。對(duì)于較大的角度，可能需要適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。
參考文獻(xiàn)
1.Martin Papes, Pavel Cheben, Daniel Benedikovic, Jens H. Schmid,? James Pond, Robert Halir, Alejandro Ortega-Mo?ux, Gonzalo Wangüemert-Pérez, Winnie N. Ye, Dan-Xia Xu, Siegfried Janz, Milan Dado, and Vladimír Va?inek, “Fiber-chip edge coupler with large mode size for silicon photonic wire waveguides”, Optics Express, Vol. 24, Issue 5, pp. 5026-5038, (2016).
摩爾芯創(chuàng)2025光學(xué)系列線上線下活動(dòng)匯總
2025年，摩爾芯創(chuàng)精心籌備多場(chǎng)光學(xué)系列活動(dòng)，以線上直播和線下培訓(xùn)的形式，帶你解鎖光學(xué)領(lǐng)域新視界！直播聚焦圍繞行業(yè)領(lǐng)先的光學(xué)仿真軟件，助力提升光學(xué)技術(shù)水平，拓展行業(yè)視野，促進(jìn)技術(shù)交流。| 時(shí)間 | 主題 |
| 3月28日 | 基于Lumerical&Zemax的超透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)仿真流程 |
| 4月 | Ansys Lumerical 2025R1新功能介紹 |
| 5月 | 基于Lumerical的 OLED的仿真與分析 |
| 10月 | Ansys Lumerical & Optislang聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化MZM調(diào)制器 |
| 11月 | 基于Lumerical常見(jiàn)逆向設(shè)計(jì)方法介紹：PSO&DBS |
| 12月 | Ansys Lumerical超表面逆向設(shè)計(jì) |
地點(diǎn) | 時(shí)間 |
蘇州站 | 2025年4月17-18日 |
| 武漢站 | |
| 廣州/深圳站 | |
| 北京站 | |