Projekt fotonicznego układu scalonego

Projektfotonicznyukład scalony

Fotoniczne układy scalone(PIC) są często projektowane przy pomocy skryptów matematycznych ze względu na znaczenie długości ścieżki w interferometrach lub innych zastosowaniach wrażliwych na długość ścieżki.ZDJĘCIEjest wytwarzany przez nakładanie wielu warstw (zazwyczaj od 10 do 30) na płytkę składającą się z wielu wielokątnych kształtów, często przedstawianych w formacie GDSII. Przed wysłaniem pliku do producenta fotomaski zdecydowanie pożądana jest możliwość przeprowadzenia symulacji PIC w celu sprawdzenia poprawności projektu. Symulacja jest podzielona na wiele poziomów: najniższy poziom to trójwymiarowa symulacja elektromagnetyczna (EM), gdzie symulacja jest przeprowadzana na poziomie poddługości fali, chociaż interakcje między atomami w materiale są rozpatrywane w skali makroskopowej. Typowe metody obejmują trójwymiarową dziedzinę czasu o skończonych różnicach (3D FDTD) i ekspansję trybu własnego (EME). Metody te są najdokładniejsze, ale są niepraktyczne w całym czasie symulacji PIC. Następnym poziomem jest 2,5-wymiarowa symulacja EM, taka jak propagacja wiązki o skończonej różnicy (FD-BPM). Metody te są znacznie szybsze, ale wymagają pewnej dokładności i mogą obsługiwać jedynie propagację paraosiową i nie można ich używać na przykład do symulacji rezonatorów. Następnym poziomem są symulacje 2D EM, takie jak 2D FDTD i 2D BPM. Są one również szybsze, ale mają ograniczoną funkcjonalność, na przykład nie mogą symulować rotatorów polaryzacyjnych. Kolejnym poziomem jest symulacja transmisji i/lub macierzy rozpraszania. Każdy główny element jest zredukowany do elementu z wejściem i wyjściem, a podłączony falowód jest zredukowany do elementu przesunięcia fazowego i tłumienia. Symulacje te są niezwykle szybkie. Sygnał wyjściowy uzyskuje się poprzez 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 dwukrotnie większa niż macierz transmisji w każdym wymiarze. Podsumowując, od symulacji 3D EM po symulację macierzy transmisji/rozproszenia, każda warstwa symulacji stanowi kompromis między szybkością a dokładnością, a projektanci wybierają odpowiedni poziom symulacji dla swoich konkretnych potrzeb, aby zoptymalizować proces walidacji projektu.

Jednakże poleganie na symulacji elektromagnetycznej niektórych elementów i używanie macierzy rozpraszania/przenoszenia do symulacji całego PIC nie gwarantuje całkowicie prawidłowego projektu przed płytą przepływową. Na przykład błędnie obliczone długości ścieżek, falowody wielomodowe, które nie tłumią skutecznie modów wyższego rzędu lub dwa falowody, które są zbyt blisko siebie, co prowadzi do nieoczekiwanych problemów ze sprzężeniem, prawdopodobnie pozostaną niewykryte podczas symulacji. Dlatego chociaż zaawansowane narzędzia symulacyjne zapewniają potężne możliwości walidacji projektu, nadal wymaga to dużej czujności i dokładnej kontroli ze strony projektanta, w połączeniu z praktycznym doświadczeniem i wiedzą techniczną, aby zapewnić dokładność i niezawodność projektu oraz zmniejszyć ryzyko arkusz przepływu.

Technika zwana rzadkim FDTD umożliwia przeprowadzanie symulacji 3D i 2D FDTD bezpośrednio na kompletnym projekcie PIC w celu sprawdzenia poprawności projektu. Chociaż jakimkolwiek narzędziu do symulacji elektromagnetycznej trudno jest symulować PIC o bardzo dużej skali, rzadki FDTD jest w stanie symulować dość duży obszar lokalny. W tradycyjnym 3D FDTD symulacja rozpoczyna się od inicjalizacji sześciu składowych pola elektromagnetycznego w określonej skwantowanej objętości. W miarę upływu czasu obliczany jest nowy składnik pola w objętości i tak dalej. Każdy krok wymaga wielu obliczeń, więc zajmuje dużo czasu. W rzadkim 3D FDTD zamiast obliczać na każdym etapie w każdym punkcie objętości, utrzymywana jest lista składników pola, które teoretycznie mogą odpowiadać dowolnie dużej objętości i być obliczane tylko dla tych składników. W każdym kroku czasowym dodawane są punkty sąsiadujące ze składnikami pola, natomiast elementy pola poniżej określonego progu mocy są usuwane. W przypadku niektórych konstrukcji obliczenia te mogą być o kilka rzędów wielkości szybsze niż tradycyjne obliczenia 3D FDTD. Jednakże rzadkie FDTDS nie sprawdzają się dobrze w przypadku struktur dyspersyjnych, ponieważ to pole czasu jest zbyt rozciągnięte, 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 z rzadkiego FDTD 3D. (A) to widok z góry symulowanej konstrukcji będącej sprzęgaczem kierunkowym. (B) Pokazuje zrzut ekranu symulacji wykorzystującej wzbudzenie quasi-TE. Dwa powyższe diagramy przedstawiają widok z góry sygnałów quasi-TE i quasi-TM, a dwa poniższe diagramy przedstawiają odpowiedni przekrój poprzeczny. (C) Pokazuje zrzut ekranu symulacji wykorzystującej wzbudzenie quasi-TM.


Czas publikacji: 23 lipca 2024 r