无源器件（Passive Device）

GMPT, 2023/09/18

摘要：本专题采用Macondo实现了对无源器件HalfRing、MRR、MMI、PSR的光学特性的仿真，Macondo软件的FDTD3D求解器在计算精度上，已经满足器件仿真设计关键特性指标的精度要求，可以为硅基光电子行业器件设计提供工具支持。

1. 前言

无源器件在大规模集成芯片中占据相当大的比例，按用途分类有I/O耦合器、耦合器与功分器、滤波器、复用/解复用器，其中的基础器件包括波导（WG）、微环谐振器（MRR）、多模干涉耦合器（MMI）、光斑模式转换器（SSC）、边耦合器（EC）、Y分束/合束器（Y-brach）、光栅耦合器（GC）、阵列波导光栅（AWG）、布拉格光栅（BG）、偏振旋转器（PSR）、衍射光栅（DG）、偏振分束器（PB）、偏振旋转器（PR）。

随着人工智能、增强现实、5G、量子光学等技术的兴起，光通信及光互连系统对硅光器件及芯片提出了更低功耗、更高集成、更低损耗、更低串扰、更大容量、更大容差等更为严苛的要求，对于硅光器件的基础器件要求也越来越高，对于尺寸的容差要需要精确到 10nm 量级，部分硅光器件需要波导线宽小于100nm，因此对硅光工艺和仿真验证准确性的要求也越来越严格。

随着芯片设计对器件集成度越来越高，无源器件集成器件也越来越多，比如由弯曲波导、耦合器和微环谐振器组合的紧凑型微环滤波器、超高Q微腔，由微环谐振器、波导型光栅组合的光栅波导的微环传感器，由偏振分束器、偏振旋转器、定向耦合器等组合的偏振分束旋转器。波动光学和电磁仿真软件是研究此类新型集成硅光无源器件的高效工具，Macondor仿真软件不仅能分析器件内部电磁特性、优化器件结构、验证新器件性能，还能大幅提升产品研发效率。

本专题就是通过器件仿真理解不同种类硅光无源器件的电磁特性，验证新器件性能，找到提升硅光无源器件各项性能的方法，提高设计无源硅光器件各项性能指标。

2. 仿真工具

本专题主要采用Macondo软件FDTD3D求解器和模式计算求解器对无源硅光进行仿真。Macondo是一款波动光学和电磁波仿真软件，基于时域有限差分、有限差分模式求解、本征模式展开和传播算法，用于分析波导无源器件、有源器件的电磁特性，并输出应用于硅光器件、光子集成器件、光电器件、微纳光学器件的研发设计和产品优化，并输出有效折射率数据、波导模式损耗、TE/TM偏振分数比、S 参数曲线、S参数矩阵、透射率/反射率曲线、频域电磁场分布、时域电磁场分布、折射率分布、还可以基于脚本加工的光生载流子速率分布，可以用来分析器件电磁特性和优化器件结构，最终达到提高器件性能的目的。

有效折射率是无源器件的关键特性指标之一，也是验证软件计算精度的指标，以下通过Macondo软件的模式计算求解器得到不同光波导宽度的有效折射率。

波导模式有效折射率随条形波导宽度的变化关系：

Macondo软件的FDTD3D求解器在计算精度上，已经满足器件仿真设计关键特性指标的精度要求，可以为硅基光电子行业器件设计提供工具支持。

3. 仿真器件列表

4. 总结

本专题采用Macondo软件仿真了硅光无源的光学特性，展示了器件结构参数及仿真结果，在计算精度上，已经满足器件仿真设计关键特性指标的精度要求。本专题旨在让使用者充分了解Macondo软件，并学会用该软件进行硅光无源器件的仿真和设计。