Design av fotonisk integrert krets

Design avfotoniskintegrert krets

Fotoniske integrerte kretser(PIC) er ofte utformet ved hjelp av matematiske skript på grunn av viktigheten av banelengde i interferometre eller andre applikasjoner som er følsomme for banelengde.PICer produsert ved å mønstre flere lag (vanligvis 10 til 30) på en wafer, som er sammensatt av mange polygonale former, ofte representert i GDSII-formatet. Før du sender filen til fotomaskeprodusenten, er det sterkt ønskelig å kunne simulere PIC for å verifisere riktigheten av designet. Simuleringen er delt inn i flere nivåer: det laveste nivået er den tredimensjonale elektromagnetiske (EM) simuleringen, hvor simuleringen utføres på sub-bølgelengdenivå, selv om interaksjonene mellom atomer i materialet håndteres i makroskopisk skala. Typiske metoder inkluderer tredimensjonal endelig forskjell Tidsdomene (3D FDTD) og egenmodusutvidelse (EME). Disse metodene er de mest nøyaktige, men er upraktiske for hele PIC-simuleringstiden. Det neste nivået er 2,5-dimensjonal EM-simulering, for eksempel finite-difference beam propagation (FD-BPM). Disse metodene er mye raskere, men ofrer en viss nøyaktighet og kan bare håndtere paraksial forplantning og kan ikke brukes til for eksempel å simulere resonatorer. Det neste nivået er 2D EM-simulering, for eksempel 2D FDTD og 2D BPM. Disse er også raskere, men har begrenset funksjonalitet, slik at de ikke kan simulere polarisasjonsrotatorer. Et ytterligere nivå er overføring og/eller spredningsmatrisesimulering. Hver hovedkomponent reduseres til en komponent med inngang og utgang, og den tilkoblede bølgelederen reduseres til et faseforskyvnings- og dempningselement. Disse simuleringene er ekstremt raske. Utgangssignalet oppnås ved å multiplisere overføringsmatrisen med inngangssignalet. Spredningsmatrisen (hvis elementer kalles S-parametere) multipliserer inngangs- og utgangssignalene på den ene siden for å finne inngangs- og utgangssignalene på den andre siden av komponenten. I utgangspunktet inneholder spredningsmatrisen refleksjonen inne i elementet. Spredningsmatrisen er vanligvis dobbelt så stor som transmisjonsmatrisen i hver dimensjon. Oppsummert, fra 3D EM til overførings-/spredningsmatrisesimulering, presenterer hvert lag av simulering en avveining mellom hastighet og nøyaktighet, og designere velger riktig nivå av simulering for deres spesifikke behov for å optimere designvalideringsprosessen.

Men å stole på elektromagnetisk simulering av visse elementer og bruke en sprednings-/overføringsmatrise for å simulere hele PIC garanterer ikke en helt korrekt design foran flytplaten. For eksempel vil feilberegnet banelengder, multimodusbølgeledere som ikke effektivt undertrykker høyordensmoduser, eller to bølgeledere som er for nær hverandre som fører til uventede koblingsproblemer, sannsynligvis forbli uoppdaget under simulering. Derfor, selv om avanserte simuleringsverktøy gir kraftige designvalideringsmuligheter, krever det fortsatt en høy grad av årvåkenhet og nøye inspeksjon av designeren, kombinert med praktisk erfaring og teknisk kunnskap, for å sikre nøyaktigheten og påliteligheten til designet og redusere risikoen for flytskjema.

En teknikk kalt sparse FDTD gjør at 3D- og 2D-FDTD-simuleringer kan utføres direkte på et komplett PIC-design for å validere designet. Selv om det er vanskelig for et hvilket som helst elektromagnetisk simuleringsverktøy å simulere en PIC i veldig stor skala, er den sparsomme FDTD i stand til å simulere et ganske stort lokalt område. I tradisjonell 3D FDTD begynner simuleringen med å initialisere de seks komponentene i det elektromagnetiske feltet innenfor et spesifikt kvantisert volum. Etter hvert som tiden går, beregnes den nye feltkomponenten i volumet, og så videre. Hvert trinn krever mye beregning, så det tar lang tid. I sparsom 3D FDTD, i stedet for å beregne ved hvert trinn ved hvert punkt i volumet, opprettholdes en liste over feltkomponenter som teoretisk kan tilsvare et vilkårlig stort volum og beregnes kun for disse komponentene. Ved hvert tidstrinn legges punkter ved siden av feltkomponenter til, mens feltkomponenter under en viss effektterskel droppes. For noen strukturer kan denne beregningen være flere størrelsesordener raskere enn tradisjonell 3D FDTD. Imidlertid gir sparsomme FDTDS ikke gode resultater når de arbeider med dispersive strukturer fordi dette tidsfeltet sprer seg for mye, noe som resulterer i lister som er for lange og vanskelige å administrere. Figur 1 viser et eksempel på en 3D FDTD-simulering som ligner på en polarisasjonsstråledeler (PBS).

Figur 1: Simuleringsresultater fra 3D sparsom FDTD. (A) er et toppriss av strukturen som simuleres, som er en retningskobler. (B) Viser et skjermbilde av en simulering ved bruk av kvasi-TE-eksitasjon. De to diagrammene ovenfor viser ovenfra av kvasi-TE- og kvasi-TM-signalene, og de to diagrammene nedenfor viser det tilsvarende tverrsnittsbildet. (C) Viser et skjermbilde av en simulering ved bruk av kvasi-TM-eksitasjon.


Innleggstid: 23. juli 2024