Ansys Lumerical | 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化

基于1×2端口多模干涉器的宽带传输与光损耗计算：紧凑模型在INTERCONNECT中的建立与验证

摘要：

本文深入探讨了通过优化1×2端口多模干涉器(MMI)的几何结构，计算其宽带传输特性及光损耗的过程。特别地，采用电磁场求解器(EME)对器件进行了全面表征，并在INTERCONNECT中构建了基于光学单端口参数(SPAR)的紧凑模型。文章详细展示了如何使用参数扫描和模式收敛测试来优化MMI的设计，接着介绍S参数提取方法，并通过将理论仿真结果与INTERCONNECT中紧凑模型的预测进行比较，验证了该方法的有效性。

1. 引言

光学集成系统中的低损耗光耦合器和光分路器是MachZehnder调制器的基本组件，也是集成电路的核心组成部分。优化输入和输出波导间模式的匹配通过引入taper区域，有助于显著降低光传输过程中的损耗。在本文中，我们采用EME求解器对特定的MMI结构进行优化，以获得尽可能高的效率和最佳性能。




2. 优化MMI几何结构

优化MMI性能时，首先进行模式收敛扫描，确保仿真结果的准确性和可靠性。通过分析输出端口的传输结果，我们确定了模式数量应至少为15，以满足后续纹波宽度、波长范围和纤芯长度等参数扫描的需求。

模式收敛扫描：确保了仿真结果的精度。

波长扫描：使用EME单频求解器，通过波长扫描确定TE模式下1.1 μm的taper宽度，实现了对宽带传输性能的初步评估。

纤芯长度扫描：优化了纤芯长度至约37 μm，以达到更高的传输效率。

taper宽度扫描：设计一个扫宽度参数的任务，从优化步骤中收集S矩阵值，分析传输效率随着taper宽度变化的趋势。

3. S参数提取及验证

执行优化设计后，提取了S参数，构建了紧凑模型。1×2MMI耦合器的S参数在TE和TM模式下随波长的变化被记录在文件MMIsparams.txt中。

参数提取：通过MMI_write_s_params.lsf脚本，有效地捕获了S参数数据。

性能验证：定义紧凑模型并导入先前提取的数据。运行电路仿真并比较仿真结果与预期传输曲线，确保其一致性，证实模拟和理论设计之间的协同效应。

4. 结论

本文详细展示了通过EME求解器优化1×2端口MMI结构，计算其宽带传输特性及光损耗的过程。构建紧凑模型并在INTERCONNECT中验证的关键步骤验证了设计的有效性和正确性。通过参数扫描、模式收敛测试和S参数提取，我们不仅提高了传输效率，还确保了器件的设计与实际性能相匹配，为光学集成电路提供了可靠的模型和优化策略。

关键词：EME求解器；宽带传输；S参数；紧凑模型；INTERCONNECT；光学集成系统；光耦合器；光分路器。

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