Návrh fotonického integrovaného obvodu

Dizajnfotonickýintegrovaný obvod

Fotonické integrované obvody(PIC) sú často navrhnuté s 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 veľmi žiaduce, aby bolo možné simulovať PIC na overenie správnosti návrhu. Simulácia je rozdelená do viacerých úrovní: najnižšia úroveň je trojrozmerná elektromagnetická (EM) simulácia, kde sa simulácia vykonáva na úrovni sub-vlnových dĺžok, hoci interakcie medzi atómami v materiáli sú riešené v makroskopickej mierke. Typické metódy zahŕňajú trojrozmernú časovú doménu s konečným rozdielom (3D FDTD) a expanziu vlastného módu (EME). Tieto metódy sú najpresnejšie, ale sú nepraktické počas celej doby simulácie PIC. Ďalšou úrovňou je 2,5-dimenzionálna EM simulácia, ako napríklad šírenie lúča s konečným rozdielom (FD-BPM). Tieto metódy sú oveľa rýchlejšie, ale obetujú určitú presnosť a dokážu zvládnuť len paraxiálne šírenie a nemožno ich použiť napríklad na simuláciu rezonátorov. Ďalšou úrovňou je 2D EM simulácia, ako napríklad 2D FDTD a 2D BPM. Tie sú tiež rýchlejšie, ale majú obmedzenú funkčnosť, napríklad nedokážu simulovať polarizačné rotátory. Ďalšou úrovňou je simulácia prenosovej a/alebo rozptylovej matice. Každý hlavný komponent je zredukovaný na komponent so vstupom a výstupom a pripojený vlnovod je zredukovaný 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) násobí vstupné a výstupné signály na jednej strane, aby sa našli vstupné a výstupné signály na druhej strane komponentu. 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/rozptyľovej matice, každá vrstva simulácie predstavuje kompromis medzi rýchlosťou a presnosťou a dizajnéri si vyberajú správnu úroveň simulácie pre svoje špecifické potreby na optimalizáciu procesu overovania návrhu.

Spoliehanie sa na elektromagnetickú simuláciu určitých prvkov a použitie rozptylovej/transferovej matice na simuláciu celého PIC však nezaručuje úplne správny dizajn pred prietokovou doskou. Napríklad nesprávne vypočítané dĺžky ciest, multimódové vlnovody, ktoré nedokážu účinne potlačiť režimy vysokého rádu, alebo dva vlnovody, ktoré sú príliš blízko pri sebe, čo vedie k neočakávaným problémom s väzbou, pravdepodobne zostanú počas simulácie neodhalené. Preto, aj keď pokročilé simulačné nástroje poskytujú výkonné možnosti overovania návrhu, stále si to vyžaduje vysoký stupeň ostražitosti a starostlivej kontroly zo strany dizajnéra v kombinácii s praktickými skúsenosťami a technickými znalosťami, aby sa zabezpečila presnosť a spoľahlivosť návrhu a znížilo sa riziko vývojový diagram.

Technika nazývaná riedka FDTD umožňuje vykonávať 3D a 2D FDTD simulácie priamo na kompletnom PIC návrhu na overenie návrhu. Hoci je pre akýkoľvek elektromagnetický simulačný nástroj ťažké simulovať PIC veľmi veľkého rozsahu, riedky FDTD je schopný simulovať pomerne veľkú lokálnu oblasť. V tradičnom 3D FDTD sa 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 riedkom 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 byť vypočítané iba pre tieto zložky. V každom časovom kroku sa pridávajú body susediace s komponentmi poľa, zatiaľ čo komponenty poľa pod určitým prahom výkonu sa vypúšťajú. Pre niektoré štruktúry môže byť tento výpočet o niekoľko rádov rýchlejší ako tradičné 3D FDTD. Zriedkavé FDTDS však nefungujú dobre pri práci s disperznými štruktúrami, pretože toto časové pole sa príliš rozprestiera, čo vedie k príliš dlhým zoznamom, ktoré sa ťažko spravujú. Obrázok 1 ukazuje príklad obrazovky 3D simulácie FDTD podobnej rozdeľovaču polarizačného lúča (PBS).

Obrázok 1: Výsledky simulácie z 3D riedkeho FDTD. (A) je pohľad zhora na simulovanú štruktúru, ktorá je smerovou spojkou. (B) Zobrazuje snímku obrazovky simulácie pomocou kvázi-TE budenia. Dva vyššie uvedené diagramy znázorňujú pohľad zhora na signály kvázi-TE a kvázi-TM a dva nižšie uvedené diagramy znázorňujú zodpovedajúci pohľad v reze. (C) Zobrazuje snímku obrazovky simulácie pomocou kvázi-TM budenia.


Čas odoslania: 23. júla 2024