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]。
2 D8 |1 x' ^  \, Q5 m+ ^

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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。

' s& e) i' l* h: X- M' P$ m构建基础MZI单元
6 s! m# U: \$ z, w" x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
[/ol]

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2 p1 I7 L0 r+ D& |/ M) d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。

创建矩阵单元结构
: K! R/ m" c+ i' o5 }8 I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
# f* F) m7 H, @[/ol]

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- a# `- A" I6 ~. J: {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。
3 _. e0 \+ h! u, w; C6 L, W4 X- c
5 Q* c- Q* n* e" l. e0 g! p3 |实现光学输入/输出
3 m) P0 G2 J* o3 r0 ^% v" K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
6 P# V, a) r! p) X% n. H[/ol]

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+ ?. {& C6 D. m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。
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' P# T! v/ b5 v# t4 U% u3 [, D添加电气连接
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]

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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：
  N% o4 L& Q- q+ V* ~  f% O

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

实用实现技巧
在PhotoCAD中成功实现的要点：
- ~( H3 z! c/ q* @( e7 x3 l

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
6 E7 ^" Z+ D  i0 o1 _
9 K" p2 l; j( X  E6 L高级功能和优化
% D$ K/ s$ ^& L. |9 g" PPhotoCAD提供多种优化设计的功能：
. i, T) V  O; v

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
设计过程利用PIC Studio集成环境的优势：
9 k7 Y8 E6 H* E% K

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

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图6：PIC Studio流程
8 }  o4 h. J3 O  e$ {
结论
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。
  [: i( b8 n8 y  g7 H  s# 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。
- D4 M% _, Y* x
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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