摘要
本文介绍利用PIC Studio工具链中的PhotoCAD版图与仿真一体化工具进行级联马赫曾德(CMZ)波长滤波器的自动化设计和仿真。首先介绍了CMZ滤波器的工作原理以及设计方法。然后重点介绍了如何在PhotoCAD中利用自动连接光波导和集成仿真功能实现CMZ滤波器的快速设计验证。最后展望了这种设计流程对光电芯片设计领域的意义。
简介
随着云计算和大数据的发展,对数据中心和高性能计算机互连的带宽需求正在井喷式增长。基于波分复用(WDM)的光互连被视为满足这一需求的关键技术之一。在WDM系统中,进行波长通道复用和分解的光学滤波器起着重要作用。级联马赫曾德(CMZ)滤波器因其低损耗、平坦通带以及小尺寸等特性,被认为是新一代WDM滤波器的有力候选。
CMZ滤波器原理
CMZ滤波器由级联连接的马赫曾德干涉仪(MZI)构成。每一个MZI包括两个3dB耦合器和两个具有长度差的波导臂,可以产生波长依赖的传输响应。通过级联多个MZI并 engineering 臂长差和耦合比,可以合成出所需的滤波器频谱响应。CMZ滤波器的关键优势有:
低损耗,基于低损耗波导的传输 可平坦化通带,通过多级MZI级联 小尺寸,使用高折射率对比的纳米波导 设计灵活性,通过调整MZI参数 控制简单,通过调谐光学相位 这些特性使其非常适合集成的WDM通信系统。
CMZ滤波器设计
通过级联多个MZI并适当选择臂长差和耦合比,可以获得所需的滤波器响应,包括通带平坦度、通道隔离等指标。例如,三级MZI可生成平坦通带,二叉树拓扑可实现高通道数的波长分解。接着以 PhotoCAD进行链路版图设计和仿真分析。
基于PhotoCAD的版图设计以及仿真
每个分波器中正确的延迟线长度ΔL可以通过ΔL = ΔLFSR + ΔLShift求得。
1. 第一级:包含两个连接在一起的50/50 DCs,长度差异ΔL通过上表计算得到。
2. 第二级:包含一个50/50 DC、一个71/29 DC和一个92/8 DC,它们连接在一起,长度差异ΔL通过上表计算得到。
3. 第三级:包含一个50/50 DC,一个80/20 DC和一个96/4 DC,它们连接在一起,长度差异ΔL通过上表计算得到。
PhotoCAD的一项杰出功能是其高级自动布线功能。自动布线是布局过程中的关键步骤，因为它自动化了波导和互连线的布线。PhotoCAD的自动布线功能专门针对光电芯片，确保了高效准确的波导布线，同时遵循设计约束。这些功能考虑了最小弯曲半径、波导宽度和与其他器件的接近度等参数。通过优化布线来最小化插入损耗和串扰，同时保持可制造性。
在布局后使用PhotoCAD运行仿真
在完成布局后，验证设计的光电芯片性能是很重要的。上文演示了PhotoCAD无缝集成了版图和pSim的仿真功能，允许设计师在制造的版图上运行仿真。也集成第三方FDTD/EME求解工具，让器件设计、链路设计、链路仿真以及物理验证，全部基于同一个版图，而且是用来在工艺厂流片的版图。确保稳定可靠的设计。这种集成确保制造的光电芯片与预期设计相匹配，任何不一致性可以在后续迭代中解决。在实际版图上进行仿真的能力可以节省开发过程中的时间和资源。
PhotoCAD用于光电芯片版图设计和仿真的优势
PhotoCAD在光电芯片版图设计和仿真方面提供了一些关键优势：
1. 集成：PhotoCAD集成了版图设计和链路仿真，也集成第三方FDTD/EME求解工具，让器件设计、链路设计、链路仿真以及物理验证，全部基于同一个版图。减少了在设计和仿真工具之间手动数据传输的需求。
2. 高级自动布线功能：高级自动布线功能优化了波导布线，以最小化插入损耗和串扰。
3. 准确性：PhotoCAD中的仿真与制造的设备紧密匹配，确保了设计的忠实度。
4. 效率：PhotoCAD中的流程简化加快了从设计到制造的周期，节省了时间和资源。
5. 定制：PhotoCAD可以根据特定的设计约束和制造工艺进行定制。
总结
本文探讨了级联马赫曾德(CMZ)滤波器的设计与仿真，并详细介绍了如何利用PhotoCAD平台进行相关操作。随着数据中心及高性能计算机互连的带宽需求剧增，波分复用(WDM)的光互连技术及其关键器件，如CMZ滤波器，变得尤为关键。CMZ滤波器因其低损耗、平坦通带、小尺寸等特性，成为了新一代WDM滤波器的主要选择。利用PhotoCAD进行CMZ滤波器的版图设计和仿真，可以有效地自动连接各部分并进行集成仿真，从而加快设计验证的过程。PhotoCAD在光电芯片版图设计和仿真方面拥有多个优势，如集成、高级自动布线功能、准确性、效率和定制性，为光电芯片设计领域的进一步发展提供了巨大的助力。
微信公众号 
bilibili 
微信视频号