GDSFactory中的分段式波导设计与实现

GDSFactory中的分段式波导设计与实现

概述

在光子集成电路设计中，波导的宽度变化是一个常见需求。GDSFactory作为一款强大的光子集成电路设计工具，提供了灵活的波导设计功能。本文将详细介绍如何在GDSFactory中实现分段式波导设计，包括固定点定义和自定义路径两种实现方式。

波导宽度变化的基本原理

传统的光子集成电路设计中，波导宽度变化通常通过参数化函数实现，这种方法要求定义一个从[0,1]区间到波导宽度的映射函数，且采样点均匀分布。然而，这种方法的局限性在于：

1. 难以精确控制特定位置的波导宽度
2. 无法直接实现分段线性变化
3. 对于复杂宽度变化曲线不够直观

分段式波导实现方案

GDSFactory提供了两种实现分段式波导的方法：

方法一：基于坐标点的实现

这种方法通过直接指定x坐标和对应的波导宽度y值来实现波导设计：

def piece_wise_waveguide(x, y, layer="WG"):
    def width_function(t):
        return np.array(y)
    
    P = gf.Path()
    P.points = np.array([(xi, 0.) for xi in x])
    
    s1 = gf.Section(width=0, width_function=width_function, offset=0, layer=layer)
    X = gf.CrossSection(sections=[s1])
    
    return gf.path.extrude(P, cross_section=X)

使用示例：

c = piece_wise_waveguide([0, 4., 20, 40], [1, 2, 0.15, 0.4])

方法二：增强型实现（支持自定义路径）

这种方法提供了更完整的参数控制和类型提示：

def piece_wise_waveguide(
    x: Sequence[float] | Path,
    y: Sequence[float],
    layer: LayerSpec = "WG",
    sections: Sequence[Section] | None = None,
    port_names: tuple[str | None, str | None] = ("o1", "o2"),
    name: str = "core",
    **kwargs
) -> Component:
    
    if isinstance(x, Sequence) and len(x) != len(y):
        raise ValueError("x和y长度必须相同")

    def width_function(_: float) -> npt.NDArray[np.floating[Any]]:
        return np.array(y)

    p = x if isinstance(x, gf.Path) else gf.Path(points=np.array([(xi, 0.0) for xi in x]))

    section_list = list(sections or [])
    section_list.append(
        Section(
            name=name,
            width=0,
            width_function=width_function,
            offset=0,
            layer=layer,
            port_names=port_names,
            **kwargs,
        )
    )
    
    return gf.path.extrude(p, cross_section=gf.CrossSection(sections=tuple(section_list)))

应用场景

1. 多段线性锥形波导：实现不同长度、不同斜率的线性过渡
2. 复杂宽度变化：直接导入仿真优化的宽度变化曲线
3. 弯曲波导设计：结合弯曲路径和宽度变化实现特殊光学性能

技术要点

1. 宽度函数设计：通过忽略参数t直接返回预定义的宽度数组
2. 路径控制：支持直接坐标点定义或自定义Path对象
3. 截面扩展：使用extrude方法将路径和截面信息转换为实际组件

总结

GDSFactory的分段式波导设计方法为光子集成电路设计提供了更高的灵活性和精确性。通过直接指定宽度变化点或使用自定义路径，设计者可以轻松实现各种复杂的波导结构，满足不同应用场景的需求。这种方法特别适合需要精确控制波导宽度变化的场景，如模式转换器、耦合器等特殊光学元件的设计。