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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

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发表于 2024-11-5 08:03:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言:了解设计目标
* j0 H& X( o% D3 e8 I- @9 OPhotoCAD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]。# H0 U9 e1 T, V& i4 w

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% |) s7 l1 N1 R* D
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。
! G/ X3 }1 w/ H3 a7 ?/ ^! z$ x1 }! J% K+ f# \5 }
构建基础MZI单元* D/ d' Z6 L4 q) c# ^
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  {9 ]+ {. p+ K3 V9 W7 |$ h  i! K
    [/ol]
      C. k# M' l9 a2 t

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    * Q2 D8 _/ |! 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。+ k3 o$ B$ [$ ~
    ' w- m1 D, w- H0 V3 S# r+ c
    创建矩阵单元结构- r6 e2 g  ^. V5 M- j) R
    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
    " g; U( T! r) }  T/ h' z[/ol]. }7 \3 {5 }0 g6 O( [$ R# I1 L

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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。
      U" `, _* D. `$ j$ J/ q# t
    9 m5 L! {( G1 O3 q% M6 Z) R. o实现光学输入/输出0 P2 }+ u- l0 \# b4 O
    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
    1 J$ o$ `3 r- k) e+ ?% f[/ol]' h# O- r3 D8 V4 o

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    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。( t' W: s7 F1 Z
    * C- i- i% Y9 k  p7 J+ K
    添加电气连接" C! i% k0 I+ V- r
    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( B6 Y$ H. L) u, {3 N
    [/ol]
    + a7 I( W! q; n

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    & h& I$ {7 T2 O# k4 t
    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。*
    8 X' `" v( B4 g8 y2 a/ f5 @& k
    5 K) ^( w; h9 p4 s4 ]5 g/ ]设计验证和测试- M. F+ p  n4 v
    PhotoCAD支持全面的设计验证:
    2 ^. O5 I6 H1 V, f
  • 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1 B# U, u4 {* e% v3 C+ }
    $ Y' x8 H4 o4 e+ o5 }$ x: z; R
    实用实现技巧" h' _  ?6 D! w) w1 p. G8 b
    在PhotoCAD中成功实现的要点:
    " U: I& w0 X2 v
  • 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. H/ C/ D. _1 B5 |! F

    ( g' |- I0 h% }! {, E: b# {5 x高级功能和优化4 K2 |) ^' k" g6 }
    PhotoCAD提供多种优化设计的功能:
    1 t4 V% N& C% z3 ]4 w9 S" B
  • 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
    - @/ x3 s/ {& L! O0 y, O# D

    . {( P5 y% [- c* Y% Y与PIC Studio流程集成
    3 P+ ~' K; _& P% H& J设计过程利用PIC Studio集成环境的优势:; \3 a9 y# A/ O% c
  • 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/ _2 T  [" |  Z; }8 G7 U2 I6 g

    0 O  S* R% t! e

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    2 c" f, i2 T- H0 Q1 V- d& F6 H
    图6:PIC Studio流程, h, u' h+ m9 J% H- g

    " u$ ]9 ^; ?1 Q1 t1 e结论( q7 E7 H# ]: U5 ^7 w% e2 j" X
    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。0 ^% }% w1 a, d) Q/ p
    0 S/ f$ X. Y) w; e
    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。7 v9 ^' p! U$ J: T) K

    7 @9 y8 y# S1 x( K6 Z5 @% X2 N参考文献3 Q0 _( {: P* ]' X/ r. x
    [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.+ m  w/ d' J- @; E. G- h
    END- n& w: e$ E1 @, N+ \5 z
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    ; R0 c: M! I7 O欢迎转载- \% p% L8 ?$ L. O
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    转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
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    关于我们:
    2 {" h$ f# @( T) g. V' n, M- k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。, c$ z1 E) A! \

    2 k& l. C* ?1 k; a( ?http://www.latitudeda.com/4 g+ B+ }+ a/ J* i( a4 ^0 u2 ]
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