Projektfotonicznyukład scalony
Układy scalone fotoniczne(PIC) są często projektowane z pomocą skryptów matematycznych ze względu na znaczenie długości ścieżki w interferometrach lub innych zastosowaniach, w których jest ona wrażliwa.ZDJĘCIEjest 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, bardzo pożądane jest, aby móc symulować PIC, aby zweryfikować poprawność 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 skończoną różnicę w dziedzinie czasu (3D FDTD) i ekspansję 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 tracą trochę dokładności i mogą obsługiwać tylko propagację paraaxialną i nie mogą być używane do symulacji rezonatorów, na przykład. Następny poziom to symulacja 2D EM, 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 redukowalny do komponentu z wejściem i wyjściem, a podłączony falowód jest redukowalny 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 są nazywane 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 3D EM do symulacji macierzy transmisji/rozproszenia, każda warstwa symulacji stanowi kompromis pomiędzy szybkością i dokładnością, a projektanci wybierają właściwy poziom symulacji dostosowany do swoich konkretnych potrzeb, aby zoptymalizować proces walidacji projektu.
Jednak poleganie na symulacji elektromagnetycznej niektórych elementów i używanie macierzy rozpraszania/transferu do symulacji całego PIC nie gwarantuje całkowicie poprawnego projektu przed płytą przepływową. Na przykład błędnie obliczone długości ścieżek, wielomodowe falowody, które nie tłumią skutecznie modów wyższego rzędu lub dwa falowody, które są zbyt blisko siebie, co prowadzi do nieoczekiwanych problemów ze sprzężeniem, prawdopodobnie nie zostaną wykryte podczas symulacji. Dlatego też, chociaż zaawansowane narzędzia symulacyjne zapewniają potężne możliwości walidacji projektu, nadal wymaga to wysokiego stopnia czujności i starannej inspekcji ze strony projektanta, w połączeniu z praktycznym doświadczeniem i wiedzą techniczną, aby zapewnić dokładność i niezawodność projektu oraz zmniejszyć ryzyko arkusza przepływu.
Technika zwana rozrzedzonym FDTD umożliwia wykonywanie symulacji 3D i 2D FDTD bezpośrednio na kompletnym projekcie PIC w celu walidacji projektu. Chociaż trudno jest każdemu narzędziu do symulacji elektromagnetycznej symulować PIC o bardzo dużej skali, rozrzedzony FDTD jest w stanie symulować dość duży obszar lokalny. W tradycyjnym 3D FDTD symulacja rozpoczyna się od zainicjowania sześciu składowych pola elektromagnetycznego w określonej skwantowanej objętości. W miarę upływu czasu obliczany jest nowy składnik pola w objętości itd. Każdy krok wymaga wielu obliczeń, więc zajmuje dużo czasu. W rozrzedzonym 3D FDTD zamiast obliczać na 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, podczas gdy składowe pola poniżej pewnego progu mocy są usuwane. 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 rozprzestrzenia się zbyt mocno, co skutkuje listami, które są zbyt długie i trudne do zarządzania. Rysunek 1 przedstawia przykładowy zrzut ekranu symulacji 3D FDTD podobnej do rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej (PBS).
Rysunek 1: Wyniki symulacji z 3D sparse FDTD. (A) to widok z góry symulowanej struktury, która jest sprzęgaczem kierunkowym. (B) Pokazuje zrzut ekranu symulacji z wykorzystaniem wzbudzenia quasi-TE. Dwa powyższe diagramy pokazują widok z góry sygnałów quasi-TE i quasi-TM, a dwa poniższe diagramy pokazują odpowiadający im widok przekroju poprzecznego. (C) Pokazuje zrzut ekranu symulacji z wykorzystaniem wzbudzenia quasi-TM.
Czas publikacji: 23-07-2024