使用Synopsys OptoCompiler工具进行光子器件版图绘制和紧凑模型仿真

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引言

本文演示了一种将Synopsys OptoCompiler中开发的无源光子器件版图导入Lumerical产品进行光路仿真的工作流程。该工作流程利用Ansys Lumerical MODE中的EME（特征模扩展）求解器进行光学仿真，利用Ansys Lumerical CML Compiler生成紧凑模型，并利用Ansys Lumerical INTERCONNECT进行光子电路设计和仿真。

此工作流程仅使用Synopsys产品即可提供一套内部解决方案，以应对光子集成电路设计中的复杂挑战。在光子集成电路设计中，通常需要使用不同的工具来处理版图设计、器件仿真和线路仿真。使用此工作流程，您可以在OptoCompiler中构建器件，使用Lumerical器件设计工具运行多物理场仿真，并利用CML Compiler构建用于INTERCONNECT线路仿真的模型，从而在版图和设计之间架起一座强大的桥梁。

本文以OptoCompiler reference optical SOI（绝缘体上硅）PDK（工艺开发套件）中的无源1x2MMI（多模干涉仪）光子器件为例，展示了该工作流程。当然，您也可以根据具体应用场景，将此工作流程调整为使用您选择的自定义无源光子器件和PDK。

所需许可证

Synopsys OptoCompiler license
Ansys Lumerical MODE license
Ansys Lumerical CML Compiler license
Ansys Lumerical INTERCONNECT license

压缩包内容

本文附带一个包含示例1x2MMI的软件包，该示例来自OptoCompiler reference optical SOI PDK。您可以在此器件上使用这些文件来体验工作流程，或根据您的需要进行自定义。

roMMI1x2.gds–从OptoCompiler导出的GDS文件。
referenceOpticalSOI.lbr–用于OptoCompiler光学SOI PDK的层构建器的工艺技术文件。
MMI_EME_FDE_setup.lsf–配置和运行MODE仿真的设置脚本。
roMMI1x2.lms–导入的1x2MMI的仿真文件。
mmi.svg–器件的自定义符号文件。
Compiled_roMMI1x2_model目录–包含来自OptoCompiler reference optical SOI PDK的1x2MMI的已编译INTERCONNECT模型的目录。

工作流程概要

以下要点概述了每个步骤，下面的小节将更详细地描述每个步骤：

步骤1–OptoCompiler导出
在此步骤中，OptoCompiler自带的reference optical SOI PDK库被导出为GDS文件“roMMI1x2.gds”。该GDS布局文件包含带有层信息的二维几何形状，这些层信息可作为工艺技术数据的参考，Lumerical工具将在下一步中使用它们。
步骤2–使用MODE导入和仿真3D结构
在此步骤中，使用Layer Builder工具导入SOI PDK的工艺技术文件“referenceOpticalSOI.lbr”以及上一步中的GDS文件。然后，使用Lumerical脚本在MODE中设置并运行仿真，并采用EME求解器。最后，生成仿真文件“roMM1x2.lms”。
步骤3–S参数提取
在此步骤中，使用CML Compiler S-parameter data extraction wizard创建适合线路仿真的紧凑模型，该向导利用Lumerical Python API和CML Compiler。
步骤4–INTERCONNECT仿真
在此步骤中，最终编译的模型“lum_roMM1x2_gds”（由一个输入和两个输出组成）在INTERCONNECT中以简单的光子线路进行配置并使用ONA（光网络分析仪）进行仿真。

详细步骤

步骤1–OptoCompiler导出

按照以下步骤从OptoCompiler导出1x2MMI版图。

1.在项目目录中运行终端，并使用命令optocompiler打开OptoCompiler窗口。

2.双击“主页”选项卡下“应用程序”组中的“库管理器”图标，打开“库管理器”选项卡。

3.点击“库管理器”选项卡下下拉菜单中的“文件->库定义编辑器”选项，打开“库定义”选项卡。

4.单击下一个空白定义行中的语句列，输入条目“DEFINE”，然后添加“referenceOpticalSOI”PDK库的路径，该库位于OptoCompiler安装目录中，如下所示。输入此值后保存定义。下面的屏幕截图提供了一个示例路径。

5.在库管理器中，找到库“referenceOpticalSOI”和单元“roMMI1x2”，双击视图“layout”打开其版图。

版图如下所示：

6.点击“库管理器”选项卡下下拉菜单中的“文件”->“导出”->“Stream”选项，打开“Export Stream”窗口。

7.在Export Stream窗口的主选项卡下的输入框的下拉菜单中选择并单击“referenceOpticalSOI”库选项，以设置库选项。

8.单击“主选项卡”下“输入框中的查看输入字段”旁边的文件夹图标，打开“选择Cellview”窗口。

9.分别选择并单击Libraries,Cell Categories,Cells和Views选项为“referenceOpticalSOI”,“All”,“roMMI1x2”和“layout”，然后单击“确定”按钮来设置这些选项。

10.如有必要，请更新“Export Stream”窗口“主”选项卡下“输出”框中的Run Directory和Stream File名条目。

11.单击“确定”按钮导出GDS文件“roMMI1x2.gds”。该文件将保存在之前选择的运行目录中。

导出现已完成，您现在可以验证导出的GDS文件是否位于项目目录中，然后继续进行下一步。

步骤2–使用MODE导入和仿真3D结构

请按照以下步骤将结构导入MODE。此过程使用Layer Builder实用程序，根据上一步导出的GDS文件并将其与process文件结合，来设置用于仿真的几何体。

1.打开Ansys Lumerical MODE。

2.点击顶部下拉菜单中的“文件”->“工作目录”选项，打开“选择新工作目录”窗口，然后选择上一步中导出.gds文件的项目目录。点击“选择”确认选择并关闭此窗口。

3.单击工具栏下拉菜单中的Build图标或Build->Layer Builder图标，即可创建Layer Builder模型对象。

4.在对象树中右键单击Layer Builder对象，然后选择“编辑”，即可打开其选项窗口。这将打开一个新窗口，供您导入版图和process文件。

5.在图层构建器窗口中单击“导入工艺文件”按钮，找到OptoCompiler reference optical SOI工艺技术文件“referenceOpticalSOI.lbr”，即可导入工艺文件。

6.如有必要，请在Layer Builder窗口的Layers框中调整工艺技术属性。

7.单击布局框中的“导入GDS文件”按钮导入GDS文件，找到上一步导出的“roMMI1x2.gds”文件，导入2D版图。

8.调整Layer Builder窗口中的Background Geometry和GDS Pattern Reference Frame，以重新定位和修改导入的3D结构。在本示例中，请使用以下设置：

Background Geometry box:
x span:200μm
y span:200μm
Patternre ference frame box:
View:Centered at custom coordinates
x:-20μm
y:0μm

9.按OK完成设置并将项目文件保存为“roMMI1x2.lms”。

器件导入现已完成，您可以继续进行下一步，即设置和运行仿真。

仿真器件

请按照以下步骤在MODE中运行仿真，为提取S参数做好准备。在本工作流程中，该过程通过使用软件包中的Lumerical脚本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”实现自动化。

请按照以下步骤运行脚本文件。

1.在脚本文件编辑器中，打开项目后，使用“打开”按钮打开脚本文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”。

2.点击运行按钮运行脚本。该脚本文件会清理仿真和扫描环境，然后添加各种对象，例如EME求解器、EME单元、EME端口、网格和监视器。它还会创建参数扫描，运行扫描并保存模型文件。下面的屏幕截图显示了仿真文件的最终状态。

仿真运行现已完成，您现在可以进行下一步，从仿真文件中提取S参数。

步骤3–S参数提取

工作流程的这一步骤利用CML-Compiler S-parameter data collection wizard，从上一步生成的仿真文件中提取S参数紧凑模型。

以下说明仅提供与此工作流程中的MMI示例相关的信息以及步骤的简要描述。有关如何使用向导以及特定设置含义的更多信息和详细说明，请参阅S-parameter data collection wizard page。

1.下载并运行数据收集向导。

2.在第一页，加载步骤2中生成的仿真文件，并填写以下基本信息。以下信息必须与之前生成的仿真文件一致：

一个与波长扫描参数名称和计数相匹配的注释属性值。
QA波长范围与波长扫描范围相匹配。
与S参数扫描匹配的S参数扫描名称

3.选择上一步生成的仿真文件。

4.在第二页，按如下方式填写单元信息，您可以选择包含的1x2MMI图标。

在此步骤中，请确保CML编译器路径指向您的CML编译器可执行文件。本文附带的软件包中提供了一个自定义图标。

在Windows系统中，它默认位于以下目录中：

5.按“执行”按钮编译模型。

编译后的模型位于S-parameter data collection wizard的/wizard/目录中，可用于下一步操作。附件软件包还在“Compiled_roMMI1x2_model”目录中提供了一个预编译的1x2MMI模型。

作为替代方案，您还可以按照S-parameter data collection wizard page中的说明，将此模型添加到您自己的主JSON文件中，并在继续下一步之前编译该库。

步骤4–INTERCONNECT仿真

在此步骤中，将使用上一步生成的紧凑模型进行INTERCONNECT仿真。要将该模型添加到Element库中，您需要将custom element文件夹重定向到模型生成位置，或者添加包含该组件的CML文件。

您只需执行以下选项之一。如果您完全没有使用过CML编译器，而只是使用了数据收集向导，请按照选项1操作。

选项1-通过重定向Custom文件夹添加器件

按照以下步骤，通过重定向custom文件夹，将上一步生成的紧凑模型添加到Element库中。

1.Open Ansys Lumerical INTERCONNECT。

2.在Element库中右键单击Custom文件夹，然后按“重定向”。

3.选择已编译的紧凑模型所在的文件夹。紧凑模型的文件扩展名为.x.ice。对于1x2MMI示例，已编译的紧凑模型位于S-parameter data collection wizard的/wizard/文件夹中，预编译版本也可在附件包的“Compiled_roMMI1x2_model”目录中找到。

现在您可以将导出的器件添加到INTERCONNECT并继续进行仿真。

选项2-通过安装CML添加器件

请按照以下步骤，通过安装已编译的CML文件，将生成的紧凑模型添加到Element库中。对于1x2MMI示例，您需要将其添加到您自己的主JSON文件中，并运行CML编译器编译CML文件，然后再按照以下步骤将自定义器件添加到INTERCONNECT。

1.Open Ansys Lumerical INTERCONNECT。

2.在Element库中右键单击Design Kits文件夹，然后在Element库面板的下拉菜单中左键单击“安装”选项，打开“选择紧凑模型库包和定义文件夹”窗口。

3.单击“紧凑模型库包”输入字段旁边的省略号按钮“…”打开“安装紧凑模型库”窗口，然后选择foundry template目录中的CML文件“lumfoundry_template.cml”。

现在您可以将导出的器件添加到INTERCONNECT并继续进行仿真。

运行INTERCONNECT仿真

将器件添加到INTERCONNECT后，请按照以下步骤对1x2MMI器件运行示例仿真。线路原理图如下所示，原理图后附有说明。

1.在INTERCONNECT原理图中添加器件紧凑模型和ONA元件。按如下方式设置ONA元件：

将输入端口数设置为2。
设置波长范围以匹配之前在MODE中进行的s参数矩阵扫描。

2.保存项目。

3.将1x2MMI的端口1连接到ONA的输出端口，将1x2MMI的端口2和3连接到ONA的输入端口。

4.点击侧边工具栏中的“运行仿真”图标来运行仿真。

5.右键单击ONA并选择“显示结果”来查看结果。可视化窗口中将显示1x2MMI功率增益频谱图。

模型设置

本示例工作流程中使用了以下重要模型设置。

在MODE模式下，Layer Builder使用来自工艺技术文件的图层位置、几何形状和variation数据，以及来自GDS文件的图层和几何形状，共同构建3D结构。
在S-parameter CML wizard中，S参数扫描条目需要与仿真模型文件中的相应波长扫描参数名称“wavelength”,count“11”、范围从“1.5e-6”m到“1.6e-6”m以及扫描名称“sweep_s_parameter_matrix”对齐。
S-parameter CML wizard在这些条目更新后，会在相应的QA、仿真文件和仿真设置框中记住波长范围、S参数扫描名称和CML编译器路径条目。
在S-parameter CML wizard中，如果您使用库模式选项“Add to Existing CML Database”，则需要运行CML编译器手动生成紧凑模型并将其加载到INTERCONNECT求解器中。
S参数CML向导仅支持SVG图像作为element图标（符号）。

定制模型

请使用以下信息进一步客制化此工作流程以满足您的需求：

您可以自定义工作流程，从OptoCompiler reference optical SOI PDK库或您自己的设计中导出其他无源光子元件版图，然后仿真这些光子元件。
文件“MMI_EME_FDE_script.lsf”中的Lumerical脚本是为OptoCompiler W-2024.09 Reference Optical SOI v3.1.0 PDK库中的光子元件“roMMI1x2”开发的。您可以自定义Lumerical脚本以使其适用于其他光子元件。
OptoCompiler W-2024.09 Reference Optical SOI v3.1.0 PDK库提供了OptoCompiler reference optical SOI工艺技术文件“referenceOpticalSOI.lbr”。如果您想使用自己的工艺技术文件，请参阅Layer Builder知识库页面。

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来源：摩尔芯创

Zemax案例 | 基于Zemax的安防镜头无热化设计

引言在安防监控领域，镜头需应对−40℃~80℃的极端温度环境，温度载荷引发的热离焦问题直接影响成像稳定性。传统设计难以准确耦合光学、结构与温度场的相互作用，导致研发周期长、成本高。长春理工大学与东莞市宇瞳光学科技股份有限公司联合团队[1]，以Zemax OpticStudio为核心工具，通过光机热集成仿真分析，成功实现安防镜头热离焦的准确预估与高效补偿，相关成果发表于《应用光学》期刊（2025年第46卷第5期）。本文将深度解析该研究的技术路径，彰显Zemax在光学系统无热化设计中的核心赋能价值。极端环境下安防镜头的技术瓶颈随着安防监控向户外化、高清化升级，镜头需在严寒、酷暑等极端工况下保持高清成像。玻塑混合镜头因成本优势与成像潜力被广泛应用[2]，但塑胶与玻璃材质的热膨胀系数差异、结构件与光学元件的热变形耦合，易引发镜片位移、面型畸变，最终导致适配像面偏移，产生热离焦。传统光学设计仅考虑折射率随温度的变化，无法模拟结构热胀冷缩带来的挤压应力与位移影响；单一有限元分析虽能获取结构变形数据，却难以转化为光学性能评价指标。因此，构建“结构-光学-温度”一体化仿真体系，成为突破行业技术瓶颈的关键——而Zemax OpticStudio及其STAR模块，为跨领域数据耦合与性能分析提供了核心解决方案。基于Zemax的光机热集成仿真流程（1）镜头光学系统与热离焦原理该镜头采用2枚玻璃镜片（第1、4枚）与6枚塑胶镜片的组合方案，如图1 所示，总长度52.14mm，光学后焦距5.43mm，分辨率为2592×1440像素。温度载荷通过径向压力（SR）与轴向压力（PA）引发离焦，核心影响因素包括镜片与镜框的热膨胀系数差、杨氏模量、配合间隙等，相关力学关系可通过以下公式量化：径向压力：其中K4为应变特性参数，K5为间隙参数；轴向压力：其中K3由材料属性与接触面积决定。图1 光学系统示意图传统设计无法准确耦合上述力学量与光学性能的关联，而Zemax可通过STAR模块实现结构变形数据向光学分析的转化，填补技术空白。（2）多软件协同的有限元仿真建模第一步，在UG中构建镜头三维模型，包含镜片、主筒、隔圈、镜框等核心部件，简化微小特征以提升仿真效率，镜片与镜框配合间隙初步设为2×10⁻³ mm。第二步，将模型导入Ansys Workbench，划分550438个高质量四面体网格（如图2所示），确保应力与变形计算精度。第三步，施加温度载荷与边界条件：以22℃为常温基准，分别模拟80℃（高温极限）与−40℃（低温极限）工况，固定后主筒端面以模拟实际装配状态。镜头各部件材料参数如表1所示，涵盖密度、弹性模量、热膨胀系数等关键指标，为精准仿真提供数据支撑。图2 镜头网格属性表1 镜头各部件材料参数（3）基于Zemax STAR模块的FEA数据耦合与光学仿真Ansys仿真获得的镜片表面变形数据为离散点，需通过Zemax OpticStudio的STAR模块进行面型拟合，转化为光学软件可识别的连续曲面。本研究采用Zernike多项式拟合算法，数学模型如下：其中ai为多项式系数，Zi(x,y)为第i项多项式，N为拟合阶数。STAR模块作为Ansys与Zemax的核心接口，可准确追踪FEA数据集，将包含刚体位移的面型数据分配至对应光学表面，实现结构变形与光学性能的直接关联。通过Zemax模拟温度载荷下的镜头离焦量，输出调制传递函数（MTF）曲线（如图3所示），直观评价成像质量。图3 温度载荷下镜头离焦MTF曲线：（a）80℃时镜头离焦MTF曲线；（b）−40℃时镜头离焦MTF曲线Zemax驱动的热离焦补偿实践基于仿真分析，团队锁定热离焦核心诱因：高温下第7枚塑胶镜片与后镜框热膨胀系数差异过大，引发径向挤压应力；低温下后镜框轴向热膨胀系数不足，导致像面偏移。针对该问题，通过更换后镜框材料（由PC+30%GF改为PC+10%GF）优化热膨胀特性，再次通过“Ansys-Zemax”协同仿真验证效果。（1）优化后的结构力学性能提升优化后Ansys仿真结果显示（如图6所示）：第7枚镜片的径向应力由3.86MPa降至0.046MPa，降幅达98%；后镜框轴向补偿量由0.0008mm提升至0.028mm，显著缓解了温度载荷下的结构变形影响。图4 优化前后结果对比云图。（a）（b）为第7枚镜片径向应力对比；（c）（d）为镜框轴向变形对比（2）优化后的光学性能验证将优化后的面型数据通过STAR模块导入Zemax，重新模拟温度载荷下的离焦特性（如图7所示）：80℃工况下离焦量降至0.015mm，较优化前减少66.6%；−40℃工况下离焦量降至0.022mm，减少52.2%。MTF曲线整体提升，全视场成像质量均满足设计要求，实现极端温度下的像质稳定。图5 镜头优化后温度载荷下离焦MTF曲线。（a）80℃时镜头离焦MTF曲线；（b）−40℃时镜头离焦MTF曲线实验验证为验证Zemax仿真分析的准确性，团队采用德国TRIOPTICS公司的ImageMaster HR TempControl VIS光学测量仪，开展高低温法兰焦距测试。测试通过真空热室模拟−40℃~80℃环境，避免冷凝与设备自身热变形干扰，测量结果如表2所示。从表2中的法兰焦距可知，镜头低温离焦量为−18μm，高温离焦量为15μm，与光机热集成仿真的结果基本一致，充分验证了光机热集成仿真方法的可靠性，也彰显了Zemax在光学性能预判计算中的高精度优势。表2 镜头高低温法兰焦距测量结果结语本研究通过Zemax实现安防镜头在−40℃~80℃环境下的稳定成像，凸显了Zemax OpticStudio在光机热集成分析中的核心应用价值，其核心价值体现在三大维度：1）跨领域数据耦合能力：STAR模块打破了有限元分析与光学仿真的技术壁垒，实现结构变形数据向光学性能的准确转化，解决了传统设计“结构-光学”脱节的痛点。2）高精度性能预估能力：通过Zernike多项式拟合与MTF曲线分析，可量化温度载荷对成像质量的影响，为优化设计提供准确方向，大幅缩短研发周期——本研究通过迭代仿真将镜头离焦量控制在设计阈值内，避免了多次物理样机试制的成本浪费。3）全流程设计赋能能力：从初始光学系统设计、热离焦仿真分析，到优化方案验证，Zemax贯穿设计全流程，支持“仿真-优化-验证”的闭环研发模式，为安防、红外、车载等多领域光学系统无热化设计提供标准化技术路径。参考文献[1] SI Zhanshan, SHI Guangfeng, TANG Ya, et al. Defocusing and compensation an alysis of security lens under temperature load[J]. Journal of Applied Optics, 2025, 46（5）: 981-987. DOI: 10.5768/JAO202546.0501004[2] Gengen CHEN, Guangfeng SHI, Feng WU, Jinqiu WANG, Leigang PEI, Guoquan SHI. Thermal defocus and compensation an alysis of glass-plastic hybrid fixed-focus lens[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(5): 959- END -来源：摩尔芯创