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
9 \4 I, k* F& E$ G! [- iPhotoCAD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]。
/ S* ^4 n: f! f* P, }9 }( D) a1 p

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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。
" y+ M, p8 b' z8 M" k
构建基础MZI单元
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
8 |" s4 h# i! E: Q6 \[/ol]
% g  u8 @6 C+ ?9 x/ o7 t

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( ^7 D2 \; x$ `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。

! c  g9 D& h; Y' [7 ]/ r* {7 L( F创建矩阵单元结构
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
[/ol]
: V, ]" X6 l; U

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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。
: ^0 n3 B/ H' |# T; m
# q1 j1 J* W3 m& m, j. \# J实现光学输入/输出
8 v8 `* l$ C* y) C2 s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
[/ol]
* e: S* y( J# B. F7 K  @  }

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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。
& P$ G- N/ d, L$ I, G8 @
, C% r! \* F* h添加电气连接
1 A- ]! H$ R- h( P' @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]
+ G5 J6 P; Q/ T0 D- z+ E  h) ?- T

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3 S% Q$ @2 C, e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 W! j7 U0 _# Z, z/ |; D
设计验证和测试
$ p; B: z  V' j2 d/ e% ^' Y- [+ |PhotoCAD支持全面的设计验证：
& h/ P0 C. z4 I& f& b

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

. L) w  s" T6 h: q实用实现技巧
在PhotoCAD中成功实现的要点：

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

$ S8 n; n) q& E+ J/ I* q高级功能和优化
PhotoCAD提供多种优化设计的功能：
, H1 p& b/ [( ^  w

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

与PIC Studio流程集成
7 }4 o; }1 N! y- v5 w" p设计过程利用PIC Studio集成环境的优势：

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

8 Q" K7 o$ \- m' @, z9 x

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1 j/ }6 M' \" Q( ^图6：PIC Studio流程
* x, E7 j. {  k& t. j% w* W( u
结论
8 i- d% Q0 }- U9 ~1 B4 @- U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。

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 }1 t' ^* N! [' ?1 q
) y' F; r7 ^2 N' S参考文献
5 z7 @6 V, I( [% q- e[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.
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