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

逍遙設(shè)計自動化

引言：了解設(shè)計目標
. {1 H/ X8 a) P4 y2 w; VPhotoCAD為實現(xiàn)復(fù)雜的光電子集成線路提供了容易上手的平臺。本文重點介紹如何創(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)境逐步說明實現(xiàn)過程。最終設(shè)計將包含多個按矩陣配置排列的MZI單元，用于光信號處理[1]。
, d7 \& G! A9 W" u- x0 G+ f# B. ^
圖1：單個MZI單元的詳細版圖，展示了在PhotoCAD中實現(xiàn)的波導(dǎo)布線和端口連接。

5 d2 g% s0 r1 X3 r/ S" [4 k" X) ]" n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

設(shè)置光學(xué)輸入/輸出端口
1 T& s% |+ B* Z1 c[/ol]
& n5 n% a* A' _3 T* u8 N7 G
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)計的基本構(gòu)建模塊。
0 |2 t( t0 ^# j1 N( f  i* H
創(chuàng)建矩陣單元結(jié)構(gòu)
在建立基本MZI單元后，擴展創(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)

在必要位置實現(xiàn)光學(xué)交叉

優(yōu)化波導(dǎo)布線以減少損耗
[/ol]

圖3：完整矩陣單元版圖，顯示了在PhotoCAD中九個互連MZI組件的排列。
0 H/ o3 o, i( |7 O& G- h9 J* t
! ~0 K5 B! A( P! @6 c實現(xiàn)光學(xué)輸入/輸出
設(shè)計需要適當(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
' y8 e* P8 d% i1 M1 S6 o- {[/ol]

圖4：在PhotoCAD中實現(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
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

實現(xiàn)陽極布線層

確保金屬走線間適當(dāng)間隙
[/ol]
: J+ V7 L- v, ?' g
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。*
; r6 X9 ^' h, |; v
設(shè)計驗證和測試
PhotoCAD支持全面的設(shè)計驗證：
  y& ?( q5 V" X. o' o2 J+ B) G

運行設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)

驗證光路長度

檢查電氣連接性

確保適當(dāng)?shù)膶盈B加

5 c! g" y( g: n1 w實用實現(xiàn)技巧
: U3 K) n8 f0 w. F3 S在PhotoCAD中成功實現(xiàn)的要點：

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

使用版本控制進行設(shè)計迭代

# O9 \+ E8 ?9 v* M高級功能和優(yōu)化
PhotoCAD提供多種優(yōu)化設(shè)計的功能：

自動波導(dǎo)布線

參數(shù)掃描能力

與仿真工具集成

版圖與原理圖驗證
( Z$ X, v4 R2 O  [- b( Q
與PIC Studio流程集成
設(shè)計過程利用PIC Studio集成環(huán)境的優(yōu)勢：

使用pLogic進行原理圖設(shè)計

使用PhotoCAD進行版圖實現(xiàn)

利用pSim Plus進行線路仿真

執(zhí)行系統(tǒng)級驗證
; Y$ n5 c8 p) [6 Y7 \# B

圖6：PIC Studio流程
4 E4 P( g! w% _( n  |2 r3 c: d
6 l+ k/ n* J. r  Y' N結(jié)論
- w. \' d% q$ T9 V本文展示了使用PhotoCAD實現(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)計者可以高效創(chuàng)建復(fù)雜的光電子集成線路，同時保持高設(shè)計質(zhì)量和可制造性。
+ b4 D4 V' l  q& p# V6 m
/ ~* d. U. j* W/ I$ ?; V這種實現(xiàn)方法展示了PhotoCAD在處理復(fù)雜光電子線路設(shè)計方面的能力，同時對線路的光學(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)的實現(xiàn)更加靈活高效。需要本案例的用戶，歡迎通過問答平臺索取。

參考文獻
[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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軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
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