Dizajnfotonickýintegrovaný obvod
Fotonické integrované obvody(PIC) sú často navrhnuté pomocou matematických skriptov z dôvodu dôležitosti dĺžky cesty v interferometre alebo iných aplikáciách, ktoré sú citlivé na dĺžku dráhy.Publicasa vyrába na zákrutu viacerých vrstiev (zvyčajne 10 až 30) na oblátku, ktorá sa skladá z mnohých polygonálnych tvarov, často znázornených vo formáte GDSII. Pred odoslaním súboru výrobcovi Photomask je veľmi žiaduce simulovať PIC, aby sa overila správnosť návrhu. Simulácia je rozdelená na viacero úrovní: najnižšia úroveň je trojrozmerná elektromagnetická (EM) simulácia, kde simulácia sa vykonáva na úrovni subvlavej, hoci interakcie medzi atómami v materiáli sa zaoberajú v makroskopickom meradle. Typické metódy zahŕňajú trojrozmernú konečnú diferenciálnu časovú doménu (3D FDTD) a expanzia EigenMode (EME). Tieto metódy sú najpresnejšie, ale sú nepraktické pre celý čas simulácie PIC. Ďalšou úrovňou je 2,5-rozmerná simulácia EM, ako napríklad šírenie lúča s konečnými diferencovanými lúčmi (FD-BPM). Tieto metódy sú oveľa rýchlejšie, ale obetujú určitú presnosť a dokážu zvládnuť iba paraxiálne šírenie a nemôžu sa napríklad použiť na simuláciu rezonátorov. Ďalšou úrovňou je simulácia 2D EM, ako napríklad 2D FDTD a 2D BPM. Sú tiež rýchlejšie, ale majú obmedzenú funkčnosť, ako napríklad simulujú rotátory polarizácie. Ďalšou úrovňou je simulácia prenosu a/alebo rozptylovej matrice. Každá hlavná komponent sa redukuje na komponent so vstupom a výstupom a pripojený vlnovod sa redukuje na fázový posun a útlm. Tieto simulácie sú mimoriadne rýchle. Výstupný signál sa získa vynásobením prenosovej matice vstupným signálom. Matica rozptylu (ktorej prvky sa nazývajú S-parametre) vynásobí vstupné a výstupné signály na jednej strane, aby našli vstupné a výstupné signály na druhej strane komponentu. V podstate rozptylová matica obsahuje odraz vo vnútri prvku. Matica rozptylu je zvyčajne dvakrát väčšia ako prenosová matica v každej dimenzii. Stručne povedané, od 3d EM po simuláciu matrice prenosu/rozptylu predstavuje každá vrstva simulácie kompromis medzi rýchlosťou a presnosťou a dizajnéri zvolia správnu úroveň simulácie pre svoje špecifické potreby na optimalizáciu procesu validácie dizajnu.
Spoliehanie sa na elektromagnetickú simuláciu určitých prvkov a použitie matrice rozptylu/prenosu na simuláciu celého PIC nezaručuje úplne správny dizajn pred prietokovou doskou. Napríklad prepočítané dĺžky ciest, multimódové vlnovody, ktoré nedokážu účinne potláčať režimy vysokého poriadku, alebo dve vlnovody, ktoré sú príliš blízko seba, vedú k neočakávaným problémom spojenia, ktoré sa počas simulácie pravdepodobne nezistia. Preto, aj keď pokročilé simulačné nástroje poskytujú výkonné schopnosti validácie dizajnu, stále vyžaduje vysoký stupeň ostražitosti a starostlivú kontrolu dizajnérom v kombinácii s praktickými skúsenosťami a technickými znalosťami, aby sa zabezpečila presnosť a spoľahlivosť návrhu a znížila riziko prietokového listu.
Technika nazývaná riedka FDTD umožňuje vykonávanie simulácií 3D a 2D FDTD priamo na úplnom dizajne PIC na overenie dizajnu. Aj keď je pre akýkoľvek elektromagnetický simulačný nástroj simulovať veľmi rozsiahly PIC, riedka FDTD je schopná simulovať pomerne veľkú miestnu oblasť. V tradičnom 3D FDTD simulácia začína inicializáciou šiestich zložiek elektromagnetického poľa v špecifickom kvantovanom objeme. Postupom času sa vypočíta nová zložka poľa v objeme atď. Každý krok vyžaduje veľa výpočtu, takže to trvá dlho. V riedkom 3D FDTD sa namiesto výpočtu v každom kroku v každom bode zväzku zachováva zoznam zložiek poľa, ktoré môžu teoreticky zodpovedať ľubovoľne veľkému objemu a vypočíta sa iba pre tieto zložky. V každom časovom kroku sa pridávajú body susediace s komponentmi poľa, zatiaľ čo zložky poľa pod určitým prahom výkonu sa zrušujú. Pre niektoré štruktúry môže byť tento výpočet o niekoľko rádov rýchlejšie ako tradičné 3D FDTD. Riedne FDTD sa však pri riešení disperzných štruktúr nevykonávajú dobre, pretože toto pole sa šíri príliš veľa, čo vedie k zoznamom, ktoré je príliš dlhé a ťažké spravovať. Obrázok 1 zobrazuje príklad snímky obrazovky 3D simulácie FDTD podobnej rozdeľovači polarizačného lúča (PBS).
Obrázok 1: Výsledky simulácie z 3D riedke FDTD. A) je pohľad na simulovanú štruktúru, ktorá je smerovým spojkou. (B) zobrazuje snímku obrazovky simulácie pomocou kvázi-te excitácie. Vyššie uvedené dva diagramy ukazujú vrchol signálov kvázi-te a kvázi-TM a dva diagramy uvedené nižšie ukazujú zodpovedajúci prierezový pohľad. (C) zobrazuje snímku obrazovky simulácie pomocou kvázi-TM excitácie.
Čas príspevku: 2. júla-2024