案例分享 | 使用PhotoCAD實(shí)現(xiàn)基于馬赫曾德干涉儀的光學(xué)卷積矩陣單元

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言：了解設(shè)計(jì)目標(biāo)
PhotoCAD為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光電子集成線路提供了容易上手的平臺(tái)。本文重點(diǎn)介紹如何創(chuàng)建基于馬赫曾德干涉儀(MZI)的光學(xué)卷積矩陣單元，通過PhotoCAD的Python3環(huán)境逐步說明實(shí)現(xiàn)過程。最終設(shè)計(jì)將包含多個(gè)按矩陣配置排列的MZI單元，用于光信號(hào)處理[1]。
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圖1：單個(gè)MZI單元的詳細(xì)版圖，展示了在PhotoCAD中實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)布線和端口連接。
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9 r2 O+ ?6 ^! Y8 \# I' D' j構(gòu)建基礎(chǔ)MZI單元
第一步涉及在PhotoCAD中創(chuàng)建基本MZI結(jié)構(gòu)：

定義光波導(dǎo)參數(shù)

放置定向耦合器

連接波導(dǎo)臂

添加相移器

定義電接觸點(diǎn)

設(shè)置光學(xué)輸入/輸出端口
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1 ?% c' a* X1 ~! ^圖2：基礎(chǔ)MZI單元在PhotoCAD中的版圖顯示了光學(xué)端口(op_0至op_3)和電氣端口(ep_0至ep_3)。這是設(shè)計(jì)的基本構(gòu)建模塊。

1 a, ?+ }4 B$ v8 S9 w創(chuàng)建矩陣單元結(jié)構(gòu)
在建立基本MZI單元后，擴(kuò)展創(chuàng)建矩陣結(jié)構(gòu)：

按所需配置復(fù)制MZI單元

定義互連波導(dǎo)

在必要位置實(shí)現(xiàn)光學(xué)交叉

優(yōu)化波導(dǎo)布線以減少損耗
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& s# W* h8 s1 I3 r圖3：完整矩陣單元版圖，顯示了在PhotoCAD中九個(gè)互連MZI組件的排列。
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實(shí)現(xiàn)光學(xué)輸入/輸出
設(shè)計(jì)需要適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)輸入/輸出接口：

環(huán)形放置光柵耦合器(GC)

戰(zhàn)略性放置光電探測器(PD)

布線波導(dǎo)連接GC和PD到矩陣

優(yōu)化彎曲半徑以減少光學(xué)損耗
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8 s: ~+ u. }- b; k& p0 U圖4：在PhotoCAD中實(shí)現(xiàn)的最終版圖，顯示了光柵耦合器和光電探測器圍繞矩陣單元的放置。

添加電氣連接
& h; O( `' L% r1 g; P4 T* B5 Z電氣布線層對控制MZI單元具有重要作用：

在便于接入的位置放置接合墊

布線陰極金屬走線

實(shí)現(xiàn)陽極布線層

確保金屬走線間適當(dāng)間隙
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圖5：完整電路布線版圖，顯示了接合墊放置位置以及陰極和陽極金屬走線布線。*
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設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測試
PhotoCAD支持全面的設(shè)計(jì)驗(yàn)證：
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運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)

驗(yàn)證光路長度

檢查電氣連接性

確保適當(dāng)?shù)膶盈B加

實(shí)用實(shí)現(xiàn)技巧
2 b% ~) ^9 v- C: J5 ~在PhotoCAD中成功實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)：
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使用Python腳本處理重復(fù)結(jié)構(gòu)

保持一致的命名規(guī)范

創(chuàng)建層次化單元結(jié)構(gòu)

記錄參數(shù)設(shè)置

使用版本控制進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代
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高級(jí)功能和優(yōu)化
PhotoCAD提供多種優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能：
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自動(dòng)波導(dǎo)布線

參數(shù)掃描能力

與仿真工具集成

版圖與原理圖驗(yàn)證
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與PIC Studio流程集成
設(shè)計(jì)過程利用PIC Studio集成環(huán)境的優(yōu)勢：
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使用pLogic進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)

使用PhotoCAD進(jìn)行版圖實(shí)現(xiàn)

利用pSim Plus進(jìn)行線路仿真

執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證


圖6：PIC Studio流程

結(jié)論
' A* t$ K4 }) _4 }本文展示了使用PhotoCAD實(shí)現(xiàn)基于MZI的光學(xué)卷積矩陣單元的系統(tǒng)方法。通過遵循這些步驟并利用PhotoCAD的功能，設(shè)計(jì)者可以高效創(chuàng)建復(fù)雜的光電子集成線路，同時(shí)保持高設(shè)計(jì)質(zhì)量和可制造性。

這種實(shí)現(xiàn)方法展示了PhotoCAD在處理復(fù)雜光電子線路設(shè)計(jì)方面的能力，同時(shí)對線路的光學(xué)和電氣方面保持精確控制。軟件的Python環(huán)境使復(fù)雜光電子線路結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)更加靈活高效。需要本案例的用戶，歡迎通過問答平臺(tái)索取。
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參考文獻(xiàn)
/ v  F9 x. Q! g1 \" p5 a& J[1] 徐曉鳳, "基于可編程光子集成技術(shù)的光子芯片研究," 博士學(xué)位論文, 長春理工大學(xué), 長春, 中國, 2022.
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