Projektfotonicznyukład scalony
Układy scalone fotoniczne(PIC) są często projektowane z pomocą skryptów matematycznych ze względu na znaczenie długości ścieżki w interferometrach lub innych zastosowaniach wrażliwych na długość ścieżki.PICjest wytwarzany przez nakładanie wielu warstw (zwykle od 10 do 30) na płytkę, które składają się z wielu wielokątnych kształtów, często reprezentowanych w formacie GDSII. Przed wysłaniem pliku do producenta fotomaski, jest wysoce pożądane, aby móc symulować PIC w celu weryfikacji poprawności projektu. Symulacja jest podzielona na wiele poziomów: najniższym poziomem jest trójwymiarowa symulacja elektromagnetyczna (EM), gdzie symulacja jest wykonywana na poziomie poddługości fali, chociaż oddziaływania między atomami w materiale są obsługiwane w skali makroskopowej. Typowe metody obejmują trójwymiarową dziedzinę czasu różnic skończonych (3D FDTD) i rozwinięcie trybu własnego (EME). Metody te są najdokładniejsze, ale są niepraktyczne przez cały czas symulacji PIC. Następnym poziomem jest 2,5-wymiarowa symulacja EM, taka jak propagacja wiązki różnic skończonych (FD-BPM). Te metody są znacznie szybsze, ale kosztem pewnej dokładności i mogą obsługiwać tylko propagację przyosiową i nie mogą być używane na przykład do symulacji rezonatorów. Następnym poziomem jest symulacja EM 2D, taka jak 2D FDTD i 2D BPM. Są one również szybsze, ale mają ograniczoną funkcjonalność, na przykład nie mogą symulować rotatorów polaryzacji. Kolejnym poziomem jest symulacja macierzy transmisji i/lub rozpraszania. Każdy główny komponent jest zredukowany do komponentu z wejściem i wyjściem, a podłączony falowód jest zredukowany do elementu przesunięcia fazowego i tłumienia. Te symulacje są niezwykle szybkie. Sygnał wyjściowy jest uzyskiwany przez pomnożenie macierzy transmisji przez sygnał wejściowy. Macierz rozpraszania (której elementy nazywane są parametrami S) mnoży sygnały wejściowe i wyjściowe po jednej stronie, aby znaleźć sygnały wejściowe i wyjściowe po drugiej stronie komponentu. Zasadniczo macierz rozpraszania zawiera odbicie wewnątrz elementu. Macierz rozpraszania jest zwykle dwa razy większa niż macierz transmisji w każdym wymiarze. Podsumowując, od symulacji 3D EM do symulacji macierzy transmisji/rozproszenia, każda warstwa symulacji stanowi kompromis pomiędzy szybkością i dokładnością, a projektanci wybierają właściwy poziom symulacji dla swoich konkretnych potrzeb, aby zoptymalizować proces walidacji projektu.
Jednakże, poleganie na symulacji elektromagnetycznej niektórych elementów i wykorzystanie macierzy rozpraszania/przenoszenia do symulacji całego układu PIC nie gwarantuje całkowicie poprawnego projektu przed płytką przepływową. Na przykład, błędnie obliczone długości ścieżek, falowody wielomodowe, które nie tłumią skutecznie modów wyższego rzędu, lub dwa falowody umieszczone zbyt blisko siebie, co prowadzi do nieoczekiwanych problemów ze sprzężeniem, mogą pozostać niewykryte podczas symulacji. Dlatego, chociaż zaawansowane narzędzia symulacyjne zapewniają potężne możliwości walidacji projektu, nadal wymagają one wysokiego poziomu czujności i starannej inspekcji ze strony projektanta, w połączeniu z doświadczeniem praktycznym i wiedzą techniczną, aby zapewnić dokładność i niezawodność projektu oraz zredukować ryzyko wystąpienia problemów ze schematem przepływu.
Technika zwana rzadkim FDTD umożliwia przeprowadzanie symulacji 3D i 2D FDTD bezpośrednio na kompletnym projekcie PIC w celu jego walidacji. Chociaż symulacja PIC o bardzo dużej skali jest trudna dla jakiegokolwiek narzędzia do symulacji elektromagnetycznej, rzadkie FDTD jest w stanie symulować dość duży obszar lokalny. W tradycyjnym 3D FDTD symulacja rozpoczyna się od zainicjowania sześciu składowych pola elektromagnetycznego w określonej skwantyzowanej objętości. W miarę upływu czasu obliczana jest nowa składowa pola w objętości itd. Każdy krok wymaga wielu obliczeń, co zajmuje dużo czasu. W rzadkim 3D FDTD, zamiast obliczać w każdym kroku w każdym punkcie objętości, utrzymywana jest lista składowych pola, które teoretycznie mogą odpowiadać dowolnie dużej objętości i być obliczane tylko dla tych składowych. W każdym kroku czasowym dodawane są punkty sąsiadujące ze składowymi pola, a składowe pola poniżej pewnego progu mocy są pomijane. W przypadku niektórych struktur obliczenia te mogą być o kilka rzędów wielkości szybsze niż tradycyjne 3D FDTD. Jednak rzadkie FDTDS nie sprawdzają się dobrze w przypadku struktur dyspersyjnych, ponieważ tym razem pole rozprasza się zbyt mocno, co skutkuje zbyt długimi i trudnymi w zarządzaniu listami. Rysunek 1 przedstawia przykładowy zrzut ekranu symulacji 3D FDTD podobnej do rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej (PBS).
Rysunek 1: Wyniki symulacji 3D z wykorzystaniem rzadkiej symulacji FDTD. (A) przedstawia widok z góry symulowanej struktury, która jest sprzęgaczem kierunkowym. (B) Przedstawia zrzut ekranu symulacji z wykorzystaniem wzbudzenia quasi-TE. Dwa powyższe diagramy przedstawiają widok z góry sygnałów quasi-TE i quasi-TM, a dwa poniższe diagramy przedstawiają odpowiadający im widok przekroju. (C) Przedstawia zrzut ekranu symulacji z wykorzystaniem wzbudzenia quasi-TM.
Czas publikacji: 23 lipca 2024 r.