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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' R/ E/ `8 h2 N& z* B- P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。
  P, ~# p% Z" h2 o2 C! l
4 ~0 n9 v4 P8 ]构建基础MZI单元
$ k# e# i2 u- j) ]5 M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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/ K3 l: ~0 h/ M- c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。

) y* C8 I2 ^: H/ P* ~  m, J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]
2 t/ o0 }0 C* X9 ]. l

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1 A/ u  f" I6 b' ^4 y6 l; ?$ V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。
- V: b  U" R  o: }8 |6 [, y
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
/ Y% K( H6 C# g9 ][/ol]

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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。

: X6 o4 h8 g6 Q/ {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]
0 b- w: N) J, t, n4 {0 S* d5 W

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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
! y2 B" `2 ]* K* y3 D; D6 ^$ \. U9 ^PhotoCAD支持全面的设计验证：
- a2 T( ^+ s9 c3 S

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
* Z& a% j5 k2 m/ I1 ]3 @在PhotoCAD中成功实现的要点：
+ ]. ]1 o' j9 l3 Z  w

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
: K3 s9 M' M0 e. Q
( U$ [# l' v( i高级功能和优化
7 G; T1 P. C$ |3 vPhotoCAD提供多种优化设计的功能：

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
' v% C% @8 f4 V( Y, F# J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
3 p% W6 s1 ?9 N9 T# z
7 `0 J/ X% ?$ D2 p/ F' P' K

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图6：PIC Studio流程

结论
# t' L. b5 {9 l- k5 c+ D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。
6 Q6 f, T7 A3 }& s
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。

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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5 s2 s. e! W+ w& C' }/ s7 Y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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