gdsfactory中Euler弯曲波导表面粗糙度问题的分析与解决

gdsfactory中Euler弯曲波导表面粗糙度问题的分析与解决

gdsfactory python library to design chips (Photonics, Analog, Quantum, MEMs, ...), objects for 3D printing or PCBs. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/gd/gdsfactory

在光子集成电路设计中，波导弯曲结构的平滑度直接影响器件的光学性能。本文针对gdsfactory工具包中euler_bend_all_angle组件出现的纳米级表面粗糙度现象进行技术分析，并提供解决方案。

问题现象

用户在使用euler_bend_all_angle组件设计耦合环形结构时，观察到弯曲波导表面出现约1nm量级的微观粗糙度。这种现象在某些参数组合下尤为明显，特别是在小角度弯曲（如1°）配合特定宽度（450nm）和半径（21.325μm）时出现，而在较大角度（11.5°）和不同尺寸组合下则表现平滑。

技术原理

Euler弯曲是一种基于欧拉螺旋的波导弯曲设计方法，通过数学优化实现曲率的平滑过渡。在gdsfactory实现中，该组件通过以下关键参数控制：

• 弯曲半径（radius）
• 弯曲角度（angle）
• 波导宽度（width）
• 采样点数（默认自动计算）

问题根源

深入分析发现，当处理极小角度弯曲时，路径生成算法会产生过高的采样密度。例如1°弯曲会生成719个路径点，导致：

1. 计算精度过剩，远超过制造工艺的纳米级精度需求
2. 点密度过高可能引发数值计算中的舍入误差累积
3. GDSII文件不必要地增大

解决方案

方法一：手动控制采样密度

通过显式设置npoints参数限制最大采样数：

bend_euler_all_angle(radius=21.325, angle=1, width=0.45, npoints=100)

方法二：参数优化建议

对于小角度弯曲：

1. 优先考虑工艺的最小特征尺寸限制
2. 当角度<5°时，建议合并使用直线波导
3. 设置角度阈值自动切换实现方式

方法三：算法改进方向

开发者可考虑：

1. 实现自适应采样算法
2. 设置最大采样数上限
3. 对小角度特殊处理

工程实践建议

1. 制造考量：主流工艺的侧壁粗糙度通常在1-20nm范围
2. 性能平衡：在模拟精度和文件大小间取得平衡
3. 设计验证：使用显微镜仿真检查关键弯曲区域

结论

gdsfactory的Euler弯曲组件在极端参数下可能出现过采样问题，通过合理控制采样密度或调整设计参数即可解决。该现象不影响实际制造，但优化设计可以提高文件处理效率和数值稳定性。建议用户根据具体应用场景在精度和性能之间做出权衡。

gdsfactory python library to design chips (Photonics, Analog, Quantum, MEMs, ...), objects for 3D printing or PCBs. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/gd/gdsfactory