光ファイバ-マイクロレンズ-エッジカプラの結合解析

こんな方におすすめ

光集積回路の開発者の方
光ファイバの開発者の方
光集積回路や光ファイバを内蔵した光トランシーバの開発者の方

概要

本記事では、Ansys app.Galleryにあるサンプル事例 ( Fiber to Photonic Chip coupling with a microlens and edge coupler – Ansys Optics ) についてその詳細を解説します。この事例ではシングルモード光ファイバから出射するビームがマイクロレンズにより導波路端面に集光され、さらにテーパー導波路を伝搬しながらSi導波路に導波されるまでの光シミュレーションを行います。

図1：光ファイバ-マイクロレンズ-エッジカプラの結合解析概要

光学設計ソフトウェアAnsys Zemax OpticStudioとフォトニクス解析ソフトウェアAnsys Lumericalは波動光学的な波面データを共通のフォーマットでインポート/エクスポートすることが出来るため、簡易にツール間連携を実現できます。双方のツールを連携して使用する事で、大幅な効率化と高速化が可能となります。
またLumericalの豊富な解析ソルバーを適切に組み合わせることで、光学システム全体としてさらに効率的な解析が可能になります。
このようなビーム伝搬とフォトニクスデバイスの連携解析に対しては、Zemax OpticStudioとLumericalの組合せにより最適なソリューション環境をご提供できます。

使用ソフトウェア・測定器

Ansys Zemax OpticStudio(Pro/Premium/Enterprise)
Ansys Zemax OpticStudioは光学部品による光の集光や光学設計、また散乱や反射による光線解析を行えます。ビーム伝搬機能も実装しており波動光学的な伝搬解析も可能です。
Ansys Lumerical(FDTD(FDTDソルバー), MODE(FDE/EMEソルバー))
Ansys Lumeircalはフォトニクスデバイスやシステムの解析を行えるフォトニクス解析ツールです。数多くのソルバーを備えており用途に応じて最適なソルバーを選択できます。本事例ではLumerical FDTDのFDTDソルバー、およびLumerical MODEのFDEソルバー、EMEソルバーを利用します。

解析目的および解析手法

背景/課題

近年フォトニクスデバイスは広く様々な産業分野で利用されていますが、その中でも光通信分野は大きな注目分野の１つです。ナノ・マイクロデバイスが製品として組み込まれる開発の過程では、ナノ・マイクロ領域のフォトニクス解析だけでなく、マクロ光学との連携や融合が求められます。
1つの例として、光ファイバからのビームが光学素子を介してSi導波路に結合する光学システムがあります。これは光I/Oの重要なコンポーネントの1つです。ミラーやマイクロレンズのような光学素子を介して光の集光を解析する場合、Ansys Zemax OpticStudioのようなマクロ光学解析ツールが有効です。ビーム伝搬解析機能(POP)を持ちいることで波動光学的な影響を考慮した解析も行えます。一方で、Si導波路のようなナノ構造の伝搬解析には、Ansys Lumericalのようなフォトニクス解析ツールが必要となります。こちらは汎用性が高く任意の系で高精度な解析が可能ですが、空間光学の伝搬解析に使用するのは効率的ではありません。
このようなミクロとマクロが融合するような解析対象では、どちらか一方のツールのみで解析しようとした場合、精度または計算時間(または計算環境の構築)の観点で現実的な結果を得る事は難しい、という課題があります。

この課題に対して、Zemax OpticStudioとLumericalの複数ソルバーの組み合わせにより、効率的に高精度な解析環境を構築する事が可能です。Ansys Zemax OpticStudioとAnsys Lumericalは光源や解析結果としての波動光学的な波面データを共通のフォーマットでインポート/エクスポートすることが出来るため、簡易にツール間連携を実現できます。またLumericalの豊富な解析ソルバーを適切に組み合わせることで、システム全体として効率的な解析が可能になります。

解析対象

本事例ではSM28ファイバから出射されるシングルモード(波長1.55um)のビームが、ファイバに近接配置されたマイクロレンズ(レンズ曲率11um、厚み71um)によってSi導波路に集光する空間伝搬光学系と、そのビームがエッジカプラに入射してSi導波路に結合し、さらにテーパー導波路を介してSi導波路(0.27x0.22um)の伝搬モードに結合されるまでの光伝搬解析を行います。

解析手法

本事例では解析領域を4つのパートに分けて解析します。

Step1：Lumerical MODE FDEソルバーを用いて、光ファイバのモード解析を行います。
Step2：Zemax OpticStudioを用いて、光ファイバから出射するシングルモードビームを光源としてマイクロレンズによる集光解析(エッジカプラ直前まで)を行います。光源データはStep1のモード解析結果を使用します。
Step3：Lumerical FDTD FDTDソルバーを用いて、エッジカプラ界面にビームが入射する挙動を解析します。光源データはStep2の集光ビームを使用します。
Step4：Lumerical MODE EMEソルバーを用いて、テーパー導波路とSi導波路部分の伝搬解析を行います。光源データはStep3で解析したエッジカプラ入射後の解析データを使用します。

各領域でシームレスに伝搬解析を行いつつ、最終的に各領域で生じる挿入損失を確認します。

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解析結果

Step1：Lumerical MODE FDEによる光ファイバのモード解析

まず光源である光ファイバの解析を行います。Step1ではシングルモードファイバ―をモデリングし、その断面形状に対してモード解析を行います。
クラッドモードに関しては解析対象から除外することで、Mesh数を減らすことができ、コアを伝搬するモードを効率的に解析する事が可能です。
App Galleryに付属のスクリプトを実行すると導波モード(TE基本モード)のデータをZBFファイル形式でエクスポートします。
これは次のStepの解析の光源データとして使用されます。

図2：光ファイバモデル模式図とモード解析結果の例(Eigenmode Analysis)

Step2：Zemax OpticStudioによるマイクロレンズ集光解析

Step2ではZemax OpticStudioを用いてマイクロレンズによるビームの集光解析を行います。Step1で生成したZBFファイルはZemaxの管理フォルダ(POP/BEAMFILEの階層)に格納することで、物理光学伝搬機能の光源データとして使用可能です。

Zemaxの各種機能を利用する事で、Best focus位置の探索やパラメータ最適化はもちろん、マイクロレンズのシフトやチルト、マイクロレンズ曲面の影響など数多くの光学解析を実施可能です。

このStepでは最終的にZemaxのBEAMFILEフォルダ内に集光位置を含む各面のZBFファイルが生成されます。これは次のStep3の解析の光源データとして使用されます。なお、集光ビームの位置や主光線のチルト等の情報はZBFには含まれないため、その情報も次のStepの解析に必要になります。これはサンプルファイルに付属のZemaxのマクロファイルを実行してtxtファイルとして出力します。

図3：Zemax OpticStudioによるマイクロレンズを介したビーム伝搬解析

Step3：Lumerical FDTDによるエッジカプラ界面結合解析

Step3ではLumerical FDTDを用いてマイクロレンズによる集光ビームがエッジカプラ界面に入射する領域を解析します。FDTDではビーム伝搬だけでなく、界面反射やエッジ部の導波路への結合、非結合を含む伝搬解析が可能です。

モデルファイルにはインポート光源に加えて、エッジ導波路構造がモデリングされており、その界面近傍を解析するようにFDTD解析空間が設定されています。オブジェクトの設計パラメータを変更することで、材質、テーパー部の幅や導波路高さ等を簡単に変更できます。またオブジェクトを追加すれば端面の傾斜やARコーティング等も解析できます。
インポート光源にはStep2で解析した集光ビームのZBFファイルを使用します。サンプルファイルにはスクリプトファイルがあり、予めZBFファイルのディレクトリやファイル名等の修正を行って実行することで、ZBFファイルの取込、ミスアライメント条件による補正などを含め、一括でモデル設定と解析、結果ファイルの保存が可能です。

図4：Step3 Lumerical FDTDソルバーによるエッジカプラ界面の伝搬解析

Step4：Lumerical MODE EMEによるテーパー導波路伝搬解析

Step4では、テーパー導波路の伝搬解析をLumerical MODE EMEソルバーで解析します。EMEソルバーの光源についても、事例のようにFDTDの結果(matファイル等)やZBFファイルを光源として使用する事が可能です。このような伝搬解析はFDTDでも可能ですが、テーパー導波路の長さが数百ミクロン以上に及ぶ場合、EMEソルバーの方が高速に解析を行えます。

EMEソルバーでは伝搬主軸方向に対して直交する複数のセルに分割してモード解析を行い、各セル間のモード結合を用いて伝搬解析を行います。サンプルファイルではテーパー部を20のセルに分割して解析します。テーパー部は伝搬方向に対して滑らかに導波路幅が変化しており、セル分割により階段状に近似されて予期しない反射や結合誤差が生じる場合がありますが、LumericalはCVCS法(Continuously Varying Cross-sectional Subcell)により、比較的少ない分割数で高精度な解析結果が得られます。また、特に伝搬方向の長さの変化に対してはモード結合を保持してSパラメータ解析できるため、非常に高速にスイープ解析(span sweep解析)が行えます。この機能を利用する事で適切なテーパー長の探索をわずかな時間で実行できます。図5は導波路のYZ断面(テーパー断面)に対する伝搬分布を表示しています。

図5：MODE EMEソルバーを用いた伝搬分布解析

またスクリプトを実行すると、モデル設定と解析を自動で実行するだけでなく、各Stepで得た挿入損失をレンズ挿入損失、カプラ界面の結合損失、テーパー部の伝搬損失、それらを合算した系全体での挿入損失、がscript promptに出力されます。
最終的に、どの領域でどの程度の損失が生じているかを確認できます。