案例分享 | 使用PhotoCAD实现基于马赫曾德干涉仪的光学卷积矩阵单元

逍遥设计自动化

引言：了解设计目标
PhotoCAD为实现复杂的光电子集成线路提供了容易上手的平台。本文重点介绍如何创建基于马赫曾德干涉仪(MZI)的光学卷积矩阵单元，通过PhotoCAD的Python3环境逐步说明实现过程。最终设计将包含多个按矩阵配置排列的MZI单元，用于光信号处理[1]。

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图1：单个MZI单元的详细版图，展示了在PhotoCAD中实现的波导布线和端口连接。

  z* S% S, F; _8 }% C. A4 G构建基础MZI单元
# m: {6 a9 z6 y# b6 Z+ L! j第一步涉及在PhotoCAD中创建基本MZI结构：

定义光波导参数

放置定向耦合器

连接波导臂

添加相移器

定义电接触点

设置光学输入/输出端口
5 {! [- M, V: p% C[/ol]
$ k8 H6 S) e+ c8 x7 ?% P& ]1 S

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+ M# g0 l3 T. v6 o% K. f* Z图2：基础MZI单元在PhotoCAD中的版图显示了光学端口(op_0至op_3)和电气端口(ep_0至ep_3)。这是设计的基本构建模块。
) {. Z9 X; a$ S  s
* X2 K' z1 {; ], B1 O4 X, q& m创建矩阵单元结构
" S7 P' ^4 t3 P在建立基本MZI单元后，扩展创建矩阵结构：

按所需配置复制MZI单元

定义互连波导

在必要位置实现光学交叉

优化波导布线以减少损耗
* ^# i! R0 p* A. J. |/ m[/ol]

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图3：完整矩阵单元版图，显示了在PhotoCAD中九个互连MZI组件的排列。

实现光学输入/输出
设计需要适当的光学输入/输出接口：

环形放置光栅耦合器(GC)

战略性放置光电探测器(PD)

布线波导连接GC和PD到矩阵

优化弯曲半径以减少光学损耗
/ C: ]5 F; Z4 [[/ol]

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$ {! h' y' Q& W$ }% q/ Z图4：在PhotoCAD中实现的最终版图，显示了光栅耦合器和光电探测器围绕矩阵单元的放置。

: g$ h# v; u1 f& j9 E添加电气连接
/ G- l+ E; I+ L  w: q电气布线层对控制MZI单元具有重要作用：

在便于接入的位置放置接合垫

布线阴极金属走线

实现阳极布线层

确保金属走线间适当间隙
[/ol]
# U) v( F" P# I8 r. a

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图5：完整电路布线版图，显示了接合垫放置位置以及阴极和阳极金属走线布线。*

设计验证和测试
PhotoCAD支持全面的设计验证：

运行设计规则检查(DRC)

验证光路长度

检查电气连接性

确保适当的层叠加
) v! W* }1 O4 c' P$ i
实用实现技巧
在PhotoCAD中成功实现的要点：
3 T% x% u+ Z; J

使用Python脚本处理重复结构

保持一致的命名规范

创建层次化单元结构

记录参数设置

使用版本控制进行设计迭代
- z6 k5 ]! i- L7 A
! g+ _0 A9 L$ Q" c高级功能和优化
PhotoCAD提供多种优化设计的功能：
4 W6 {' h6 o3 ]( L/ h! y1 T

自动波导布线

参数扫描能力

与仿真工具集成

版图与原理图验证
) c; V. B5 r$ h# o. k
与PIC Studio流程集成
' o- x% v! z  ?4 d1 B; c& M设计过程利用PIC Studio集成环境的优势：
0 Y7 _* V* {0 h9 d4 {7 q6 o: x

使用pLogic进行原理图设计

使用PhotoCAD进行版图实现

利用pSim Plus进行线路仿真

执行系统级验证
( e, n( M* a: T! r

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" y" {* H! N# K. x9 Q2 E4 q0 g0 x4 W图6：PIC Studio流程

# D1 v# B7 a" C, B( Q0 W& S结论
% j1 T2 [- r. H+ b! a' k$ ?  o" o本文展示了使用PhotoCAD实现基于MZI的光学卷积矩阵单元的系统方法。通过遵循这些步骤并利用PhotoCAD的功能，设计者可以高效创建复杂的光电子集成线路，同时保持高设计质量和可制造性。
/ A& y8 p% Z- k8 I0 G- j+ K. _; J( `
这种实现方法展示了PhotoCAD在处理复杂光电子线路设计方面的能力，同时对线路的光学和电气方面保持精确控制。软件的Python环境使复杂光电子线路结构的实现更加灵活高效。需要本案例的用户，欢迎通过問答平台索取。
3 G6 [' o# Y  V/ X$ Z2 v  \
参考文献
[1] 徐晓凤, "基于可编程光子集成技术的光子芯片研究," 博士学位论文, 长春理工大学, 长春, 中国, 2022.
END
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) X  U: X- `' r' t. ?4 {1 t( x深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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