Dizajnfotonickýintegrovaný obvod
Fotonické integrované obvody(PIC) sa často navrhujú pomocou matematických skriptov kvôli dôležitosti dĺžky dráhy v interferometroch alebo iných aplikáciách, ktoré sú citlivé na dĺžku dráhy.PICsa vyrába nanášaním viacerých vrstiev (zvyčajne 10 až 30) na doštičku, ktoré sa skladajú z mnohých polygonálnych tvarov, často reprezentovaných vo formáte GDSII. Pred odoslaním súboru výrobcovi fotomasky je dôrazne žiaduce byť schopný simulovať PIC, aby sa overila správnosť návrhu. Simulácia je rozdelená do viacerých úrovní: najnižšou úrovňou je trojrozmerná elektromagnetická (EM) simulácia, kde sa simulácia vykonáva na subvlnovej úrovni, hoci interakcie medzi atómami v materiáli sa spracovávajú v makroskopickej mierke. Medzi typické metódy patrí trojrozmerná metóda konečných rozdielov v časovej doméne (3D FDTD) a expanzia vlastných módov (EME). Tieto metódy sú najpresnejšie, ale sú nepraktické pre celý čas simulácie PIC. Ďalšou úrovňou je 2,5-rozmerná EM simulácia, ako napríklad šírenie lúča konečnými rozdielmi (FD-BPM). Tieto metódy sú oveľa rýchlejšie, ale obetujú určitú presnosť a dokážu spracovať iba paraxiálne šírenie a nemožno ich použiť napríklad na simuláciu rezonátorov. Ďalšou úrovňou je 2D EM simulácia, ako napríklad 2D FDTD a 2D BPM. Tieto sú tiež rýchlejšie, ale majú obmedzenú funkčnosť, napríklad nedokážu simulovať rotátory polarizácie. Ďalšou úrovňou je simulácia prenosovej a/alebo rozptylovej matice. Každá hlavná zložka je redukovaná na zložku so vstupom a výstupom a pripojený vlnovod je redukovaný na prvok fázového posunu a útlmu. Tieto simulácie sú extrémne rýchle. Výstupný signál sa získa vynásobením prenosovej matice vstupným signálom. Rozptylová matica (ktorej prvky sa nazývajú S-parametre) vynásobí vstupné a výstupné signály na jednej strane, aby našla vstupné a výstupné signály na druhej strane zložky. V podstate rozptylová matica obsahuje odraz vo vnútri prvku. Rozptylová matica je zvyčajne dvakrát väčšia ako prenosová matica v každom rozmere. Stručne povedané, od 3D EM po simuláciu prenosovej/rozptylovej matice, každá vrstva simulácie predstavuje kompromis medzi rýchlosťou a presnosťou a konštruktéri si vyberajú správnu úroveň simulácie pre svoje špecifické potreby, aby optimalizovali proces validácie návrhu.
Spoliehanie sa na elektromagnetickú simuláciu určitých prvkov a použitie matice rozptylu/prenosu na simuláciu celého PIC však nezaručuje úplne správny návrh pred prietokovou doskou. Napríklad nesprávne vypočítané dĺžky dráhy, viacvidové vlnovody, ktoré nedokážu účinne potlačiť módy vyššieho rádu, alebo dva vlnovody, ktoré sú príliš blízko seba, čo vedie k neočakávaným problémom s väzbou, pravdepodobne zostanú počas simulácie nezistené. Preto hoci pokročilé simulačné nástroje poskytujú výkonné možnosti overovania návrhu, stále si vyžadujú vysoký stupeň ostražitosti a starostlivej kontroly zo strany konštruktéra v kombinácii s praktickými skúsenosťami a technickými znalosťami, aby sa zabezpečila presnosť a spoľahlivosť návrhu a znížilo sa riziko poruchy prietokovej schémy.
Technika nazývaná riedka FDTD umožňuje vykonávať 3D a 2D FDTD simulácie priamo na kompletnom návrhu PIC, aby sa návrh overil. Hoci je pre akýkoľvek nástroj na elektromagnetickú simuláciu ťažké simulovať PIC vo veľmi veľkom meradle, riedka FDTD je schopná simulovať pomerne veľkú lokálnu oblasť. V tradičnej 3D FDTD simulácia začína inicializáciou šiestich zložiek elektromagnetického poľa v rámci špecifického kvantovaného objemu. Postupom času sa vypočíta nová zložka poľa v objeme atď. Každý krok vyžaduje veľa výpočtov, takže to trvá dlho. V riedkej 3D FDTD sa namiesto výpočtu v každom kroku v každom bode objemu udržiava zoznam zložiek poľa, ktoré môžu teoreticky zodpovedať ľubovoľne veľkému objemu a môžu sa vypočítať iba pre tieto zložky. V každom časovom kroku sa pridávajú body susediace so zložkami poľa, zatiaľ čo zložky poľa pod určitou prahovou hodnotou výkonu sa vynechávajú. Pre niektoré štruktúry môže byť tento výpočet o niekoľko rádov rýchlejší ako v tradičnej 3D FDTD. Riedke FDTDS však nefungujú dobre pri práci s disperznými štruktúrami, pretože toto časové pole sa príliš rozprestiera, čo vedie k príliš dlhým a ťažko spravovateľným zoznamom. Obrázok 1 zobrazuje príklad snímky obrazovky 3D FDTD simulácie podobnej polarizačnému deliču lúča (PBS).
Obrázok 1: Výsledky simulácie z 3D riedkej FDTD. (A) je pohľad zhora na simulovanú štruktúru, ktorou je smerový väzobný člen. (B) Zobrazuje snímku obrazovky simulácie s použitím kvázi-TE excitácie. Dva diagramy vyššie zobrazujú pohľad zhora na signály kvázi-TE a kvázi-TM a dva diagramy nižšie zobrazujú zodpovedajúci prierezový pohľad. (C) Zobrazuje snímku obrazovky simulácie s použitím kvázi-TM excitácie.
Čas uverejnenia: 23. júla 2024