案例分享 | Lumerical助力CompoundTek光栅耦合器面积大幅缩减

CompoundTek是一家新兴全球硅光（SiPh）半导体解决方案Foundry服务的领导者，致力于提供能满足高带宽、高数据传输解决方案的开创性半导体应用。该公司的专业技术实现了从专有制造工艺技术到面向终端产品制造设计支持的全面覆盖。 

为了持续向需要快速设计和制造光子集成电路的研发人员提供高度灵活的解决方案，CompoundTek不断探索新方法，改进开发流程，以提高组件性能、降低成本、提高产量和工程效率，并缩短设计周期。随着商业化光子行业对上市速度的要求越来越高，Lumerical和CompoundTek开展密切合作，共同探索能改进硅光（SiPh）光栅耦合器（最复杂的光子器件之一）的新方法。双方积极探索，不仅着手于缩短设计周期，而且还着重将组件尺寸缩小至最低水平，降低终端用户的成本。

采用Photonic Inverse Design设计使面积缩小20倍的光栅耦合器

结合Lumerical行业领先的FDTD纳米光子仿真器，Lumerical的光子逆向设计(PID)流程可被用于对新型光栅耦合器进行设计和优化。Lumerical的PID使光子设计人员能够快速开发出性能更佳、面积更小、制造工艺更为稳健的优化功能。PID帮助光栅耦合器设计人员实现可靠的、具有数百个自由参数的优化设计的自动生成，最大限度地提高设计分辨率。

Lumerical的2020a版中引入了新的功能，加强了对云平台运行FDTD和PID的支持。该版本包含Job checkpointing、支持Amazon Linux、FDTD Burst Packs的在线自动激活等特性。全局优化功能等其它显著的PID特性，让设计人员能够高效探索广阔的设计空间，针对工艺和封装变化开展联合优化，实现稳健的制造可变性设计。

在两周的设计时间内，Lumerical的PID流程在亚马逊云服务（AWS）的EC2平台上成功运行，充分的发挥了其灵活性、成本效益的优势和近乎无限的可扩展功能。对于在整个设计周期中具有可变性的工作负载，计算资源可以随时扩展，而无需像内部平台那样预先支付高昂的IT成本。这在设计后期尤其具有吸引力，因为此时需要大幅增强仿真能力，以快速优化和验证设计的多种变量。

对两种光栅耦合器的原始设计和新设计的插入损耗进行对比，并采用2D FDTD开展仿真

在AWS EC2上使用Lumerical的PID流程，成功开发的新型SiPh光栅耦合器，其器件面积比CompoundTek的现有耦合器小20倍，性能预计也会有所改善。为实现上述成果，PID流程经配置后，可在具有超过50多项设计参数的FDTD中自动优化光栅耦合器的参数化2D模型。优化目标是在整个频带上最大限度地降低损耗，同时把强制的特性约束控制在最低水平，以确保可制造性。图2为在C频段和O频段的TE模式下，优化设计后FDTD仿真的损耗与原始耦合器的比较。在C频段，预计性能与原始设计相当，在1550-nm处的损耗为-2.5dB。在O频段，经优化的耦合器的预计性能有所提高，在1310-nm处的损耗为-2.4dB。对于CompoundTek的客户而言，在提升耦合器性能的同时实现如此大幅度的面积缩减是难能可贵的，因为这样有望降低制造成本。

通过在AWS EC2上开发设计PID，生成和优化光栅耦合器设计所需的时间被缩短到两周，其中包括配置和启动云资源所需的时间。利用Lumerical应用库中提供的2D光栅耦合器示例作为参考设计并取得Lumerical的FDTD Burst Pack许可，可以实现在几个小时内就能生成备选设计。

两周后，CompoundTek获得了8种可制造变量的最佳设计，这些设计的尺寸显著小于现有设计，且在整个频段上性能更佳，特别是在O频段的性能也有显著提高。

完成为期两周的设计项目所需的计算总成本约为250美元，这是通过利用EC2的spot pricing（竞价实例）实现的。通过在AWS上完成该项目，避免了部署和维护本地计算资源等大量前期成本、可能的延误和后续维护成本。项目完成后，只需关闭AWS EC2，释放占用资源，就不会产生进一步的费用。

CompoundTek 是一家由行业资深人士和技术人员创立并运营的新加坡企业，融世界一流的商业代工厂与领先的硅光子（SiPh）研究机构于一身，致力于通过尖端的 SiPh 技术来提高晶圆代工厂的服务能力。CompoundTek 面向市场推出了开创型的半导体应用，旨在满足高带宽和高数据传输解决方案的关键要求，尤其是在推动工业 4.0 的新兴连通性方面。