COMSOL Multiphysics加速光处理器设计进程
作者：Simwe 来源：中仿科技 发布时间：2011-07-07 【收藏】 【打印】 复制连接 【大 中 小】 我来说两句：(0) 逛逛论坛
序言：和普通的铜线相比，光纤传输具有信息量大、噪声低、速度快等众多优势。在短短的几十年里，光纤元器件和系统就已经燃起了人们对世界互联的期盼。这些系统要实现广泛应用，需要有成本低、集成度高的光处理器，来实现光信号的控制和光电信号的相互转化，实现光电领域的对接。值得庆幸的是，随着光处理器的研发和制造水平的不断进步，大规模商业化应用指日可待。最有希望的处理器将有望通过在SiO2、Si、SiGe半导体制造业原有基础上的革新来实现。但是为了成功的研究和制造这些器件，研究人员需要能满足光处理器特有性能分析的高端设计工具。作为光处理器领域的先锋企业，加拿大著名光通信公司Enablence (Kanata, Ontario, Canada, www.enablence.com)成功引进了COMSOL Multiphysics软件，并在工作实践中证实了COMSOL Multiphysics的应用价值。事实说明，COMSOL Multiphysics开始逐渐确立在光处理器设计领域众多工具中的领跑者地位。
图 1 Enablence 公司的Serge Bidnyk博士利用COMSOL Multiphysics优化光处理器设计
在基于平面中阶梯光栅技术的集成光学元件设计和制造领域，Enablence公司被誉为全球领先企业。该公司的开创性光学平台通过改进中阶梯光栅的大小、性能、和可伸缩性等成功降低了光网络的成本。并利用在材料领域、器件设计、晶片制造和产品包装等各个领域的专业储备打造他们特有的“光路”。
高集成度的光学芯片
Enablence公司通过在常规Si、SiGe半导体制造业中的革新，利用开创性光学微型平台生产出低成本、高性能的集成芯片。微型化的集成电路片可以提高光器件的集成度，利用普通光学技术在一个晶片上只能集成5~30个芯片，而LNL公司可以在同一晶片上集成高达3000个芯片（如图2）。这些微型芯片的尺寸减弱了晶片的缺陷和不均匀性带来的影响，大大提高了生产效率。此外，这些微型型器件在晶片尺度上提高了光学元件的集成度，降低了集成成本，而集成成本是光学和光电产品生产成本中最重要一个因素。
图2 半导体片中包含着数千个光处理器。图片中有三个器件，每一个区域面积33x10mm，按照堆栈排列。
最上层和最下层器件是40通道解复用器，中间器件是这三个器件的中枢控制器。
微型化的器件不仅尺寸小，还具有极强的处理信号能力。Enablence公司的芯片的主要目标之一就是实现在光域中多信息处理，而不再通过光电转化装置转换成适于在商用计算机和娱乐设备中使用的电信号。在光域里，信息处理速度要远大于电域中的处理速度。这些微型器件可以处理每个光通道传输速率超过40GHz的模拟和数字信号。设计工程师们希望通过这些微型器件增加光系统的带宽来传输高清电视和其他宽带信号，而对于传统的器件来说会产生瓶颈进而降低光骨干网的传输速率。另一个瓶颈存在于高容量的骨干网和终端设备之间。而利用成本低廉的光芯片，就很容易实现把宽带信号传输到用户家中，而用拨号连接和DSL是无法想象的。
这样的光处理器可以同时处理多项任务，主要对不同波长的光进行分离和耦合，使得它们可以共享一个光链路。在电系统中，使用激光器和调制器首先把电信号转化成光信号，然后利用光端机把多路分立的光信号耦合成一路密集光信号。最后，利用光处理器解复用信号后再分别处理。另外，与光滤波器过滤不同频率信号的噪声类似，光处理器为光通道的增删和权衡提供了很大的便利空间。
图3三个主要部分组成的典型光器件的有限元网格图。中心的波导核心被盖层和高折射率的填充材料包围，
光波从光核心通道里通过。每个通道可以容纳传输速率高达40GHz的光波。
Enablence公司生产的器件包括多路解复用器、梳妆滤波器、交织器等器件。器件包括基底、波导核心、盖层以及填充材料，几何尺寸在几十厘米左右（如图3所示）。10 x 30 mm大小的器件可以处理40个光波导核心，每一路可以传输40GHz信息带宽，每个光链路的带宽就可以达到1.6T比特，远远超出电系统中的容量。由于构成器件的原材料之间具有很大的折射率差，所以当这些器件的尺寸越小，就越难得到需要的光学特性，这成为器件设计和制造中一个主要的挑战。
引入中阶梯光栅
设计和制造密集波分复用（DWDM）光处理器有很多方法， 而Enablence公司采用中阶梯光栅这项独创技术。和普通的光波导光栅相比，中阶梯光栅具有尺寸小的优势。另外中阶梯光栅可以使用光刻技术制造，对栅面和栅盒的形状要求也比较低，这对实现特定功能的定制设计提供了很大的空间。近似6x6um光波导核心具有很高的折射率，远远高于周围的包层材料，就形成了一个光波导管。
特定频率的光从核心中通过有很多种方法，取决于光在通道壁上的反射方式，而每种方式代表着光的一种模式。一种颜色的光可能具有20~30个模式，每种模式具有特定的强度分布和传播速度。对设计者来说，确定在波导中可以持续存在的本征模式是非常重要的。COMSOL Multiphysics在本证模式计算方面起到了关键作用。
设计平面光波电路首先要分析波导模式结构，以及光在波导中的分布。要计算沿着光波导的传输特性，需要求解具有特定复介电常数张量的Maxwell矢量波方程。除了具有折射率分布的复杂几何截面外，还需要耦合6个参数分量（包括三个电场和三个磁场分量），这给矢量波方程的求解带来了极大的挑战。
任意形状波导建模
Enablence公司的Serge Bidnyk博士使用COMSOL Multiphysics创立了一系列基于有限元方法的算法，其中包括吸收、周期、金属和磁性等边界条件，并成功模拟了任意形状的波导。设计的模型结构可以很复杂，他想通过模拟通过核心的任意光强度分布，来获得器件的特定传输频带特性。设计和模拟紧密结合的一体化平台，是COMSOL Multiphysics吸引Serge Bidnyk博士的一个重要因素。他编写了一个基于Matlab语言的算法来生成多种多样的器件几何模型，对于每一个几何模型，Matlab都会调用COMSOL Multiphysics通过对波导模式和传输参数的计算来评价器件的性能。在典型的器件仿真中，他使用了4000网格建立了截面模型，来进行横向模拟和本征值分析。COMSOL Multiphysics求解一个几何模型的本证模式大概需要两分钟的时间，这就意味着Bidnyk博士运行完上千个模型需要一到两天的时间。能把几何模型的性能模拟和优化集成在一起这一特性也引起了Bidnyk博士的极大关注。“我不能真正的去考虑使用任何其他工具，是因为其他的工具不像COMSOL Multiphysics可以集成模拟和优化这两个功能，这可以节省大量的时间。”
Bidnyk博士在他的计算程序中添加了自适应网格划分功能，可以很好的处理任意几何形状和折射率差的波导，即使模型中包含非常薄的层或者混合核心。COMSOL Multiphysics可以通过变量控制网格大小对于任意形状波导的模拟是非常有用的。如果网格大小固定，就不能深入了解器件几何模型中某些小的区域的光学性质。而网格的自适应划分功能，就可以很容易的获得任何单元的特性。例如，在器件上表面的金属电极虽然厚度佷薄（20~200nm），但是它却因为能影响波导核心中光的性能成为模型中非常重要的部分。
图4 COMSOL Multiphysics 计算的光导核心中已知频率光波的模式分布图。设计者可以通过优化几何
形状消除双折射效应，并找到最佳传输参数的光波模式。图中反映了近似真实的边界条件的设置方法。
周期边界条件也是需要考虑的问题。器件中包含着大量的彼此相邻的波导核心横向穿过器件，由于内存和计算时间的限制，只能对其中小部分区域进行详细的模拟（如图4所示）。Bidnyk博士利用COMSOL Multiphysics把边界都设置成类似镜子功能的边界条件，近似的模拟实际器件中核心的功能。因为核心距离器件的边界足够远，边界的影响可以忽略，所以这个近似符合真实的情况。而使用其他的软件他很难找到模拟这种情况的方法。
解析矢量描述的相关现象
Bidnyk博士利用COMSOL Multiphysics成功的分析了平面波导中最重要的问题之一：双折射问题，体现了COMSOL Multiphysics的另一个关键优势。大部分类似的仿真代码尝试使用标量函数来处理Maxwell方程，然而电场和磁场却是矢量。Bidnyk博士实际上也是想采用的基于矢量研究方法。值得庆幸的是COMSOL Multiphysics可以进行全矢量分析。在COMSOL Multiphysics软件的帮助下，他开始研究矢量相关的问题，比如电磁场的耦合以及相互作用。特别是，他需要研究偏振态。在光纤传输的过程中光的偏振态会发生变化，所以他想设计一个器件来控制光的偏振，并能同效的控制任意的偏振态。
Bidnyk博士把有限元算法推广到各项异性材料光模式的计算中。可以对波导中机械应力进行分析，进而也可以模拟在不同的生长和退火温度下材料的生长加工过程。并能精确的求解平面光波导中的平面应力双折射。
实际上，Dr. Bidnyk说，“在光学性能计算中存在的最大问题是双折射，影响了光学性能的计算能力。”双折射是光波导材料的一个参数，在不同的偏振方向具有不同折射率。双折射与材料生长过程有着密切的关系，特别是热晶片材料变冷过程中产生的应力。
相比之下，波导核心几何参数与双折射有着密切的关系，是设计者可以控制参数之一。COMSOL Multiphysics在这个方面有着非常大的应用空间。软件对光分析是基于矢量，可以得到双折射的完全描述。使用COMSOL Multiphysics结构力学模块，可以预测器件的双折射参数，进而可以获得波导核心合适的几何形状，来补偿固有双折射的影响，从而设计实现偏振不敏感的器件。
一旦他找到了一个合适的光学层几何形状，就可以用软件来模拟器件的参数。例如设计者可以使用器件上层的金属层来实现折射率改变，通过盖层加热来实现核心材料的微小改变。设计者可以利用金属电极对光性能的影响，实现光电转换。
COMSOL Multiphysics在对热效应和电机械响应联合求解方面，也表现出很强的能力。对于多物理场的处理，除了用来求解热场、电场、磁场和结构耦合问题，他也用来模拟极端几何形状和近截断条件下的问题。
复数域求解
在这些器件中另一个重要的控制参数就是对光波的减弱和增强程度。这就突出了COMSOL Multiphysics全矢量场分析和折射率复数描述的能力。Bidnyk博士通过分析折射率的复数部分来预测损耗。器件工程师可以通过在材料生长过程中掺杂来改变对光波的减弱和增强参数。他就可以设计对光具有不同程度减弱和增强作用的波导核心。“和一些软件包不同，COMSOL Multiphysics具有复数计算的能力，我的算法因此可以计算任何形状的核心的减弱增强作用。”
很多具体的模拟没有包含在COMSOL Multiphysics预置的标准模型中，Bidnyk博士不得不从最低级、最详细的水平利用软件建模计算。因此，在刚开始学习时花费了相当多的时间。跨过COMSOL Multiphysics的图形界面，他直接使用API来进行计算。利用这种一般的形式，他可以使用软件中全部特性和参数的接口，他这样评价，“没有任何软件可以像COMSOL Multiphysics这样让我如此近的接触到仿真引擎”。使用这种能力，如同控制计算网格的局部密度一样，他成功实现了在每条边界上的电磁场参数定制。
与此同时，包括Enablence在内的各种各样的公司，在通信产业中使用了这些技术来设计光波导。这些光波导材料涉及GaAs/AlGaAs, InP, LiNbO3, Si/Si, SOI,金属和聚合物，这些材料在折射率的虚部上都具有很大增益和吸收值。
COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com
