Design affotoniskintegreret kredsløb
Fotoniske integrerede kredsløb(PIC) er ofte designet ved hjælp af matematiske scripts på grund af vigtigheden af vejlængde i interferometre eller andre applikationer, der er følsomme over for vejlængde.PICer fremstillet ved at mønstre flere lag (typisk 10 til 30) på en wafer, som er sammensat af mange polygonale former, ofte repræsenteret i GDSII-formatet. Før du sender filen til fotomaskeproducenten, er det stærkt ønskeligt at kunne simulere PIC'en for at verificere rigtigheden af designet. Simuleringen er opdelt i flere niveauer: det laveste niveau er den tredimensionelle elektromagnetiske (EM) simulering, hvor simuleringen udføres på sub-bølgelængde niveau, selvom interaktionerne mellem atomer i materialet håndteres på den makroskopiske skala. Typiske metoder indbefatter tredimensional finite-difference Tidsdomæne (3D FDTD) og egenmode ekspansion (EME). Disse metoder er de mest nøjagtige, men er upraktiske for hele PIC-simuleringstiden. Det næste niveau er 2,5-dimensionel EM-simulering, såsom finite-difference beam propagation (FD-BPM). Disse metoder er meget hurtigere, men ofrer en vis nøjagtighed og kan kun håndtere paraaksial udbredelse og kan ikke bruges til for eksempel at simulere resonatorer. Det næste niveau er 2D EM-simulering, såsom 2D FDTD og 2D BPM. Disse er også hurtigere, men har begrænset funktionalitet, da de ikke kan simulere polarisationsrotatorer. Et yderligere niveau er transmission og/eller spredningsmatrixsimulering. Hver hovedkomponent reduceres til en komponent med input og output, og den tilsluttede bølgeleder reduceres til et faseforskydnings- og dæmpningselement. Disse simuleringer er ekstremt hurtige. Udgangssignalet opnås ved at multiplicere transmissionsmatrixen med indgangssignalet. Spredningsmatrixen (hvis elementer kaldes S-parametre) multiplicerer input- og outputsignalerne på den ene side for at finde input- og outputsignalerne på den anden side af komponenten. Grundlæggende indeholder spredningsmatrixen refleksionen inde i elementet. Spredningsmatrixen er normalt dobbelt så stor som transmissionsmatrixen i hver dimension. Sammenfattende, fra 3D EM til transmissions-/spredningsmatrix-simulering, præsenterer hvert lag af simulering en afvejning mellem hastighed og nøjagtighed, og designere vælger det rigtige simuleringsniveau til deres specifikke behov for at optimere designvalideringsprocessen.
At stole på elektromagnetisk simulering af visse elementer og bruge en sprednings-/overførselsmatrix til at simulere hele PIC'en garanterer dog ikke et helt korrekt design foran flowpladen. For eksempel vil fejlberegnet vejlængder, multimode-bølgeledere, der ikke effektivt undertrykker højordenstilstande, eller to bølgeledere, der er for tæt på hinanden, hvilket fører til uventede koblingsproblemer, sandsynligvis forblive uopdaget under simulering. Derfor, selvom avancerede simuleringsværktøjer giver kraftfulde designvalideringsmuligheder, kræver det stadig en høj grad af årvågenhed og omhyggelig inspektion af designeren, kombineret med praktisk erfaring og teknisk viden, for at sikre nøjagtigheden og pålideligheden af designet og reducere risikoen for flow sheet.
En teknik kaldet sparse FDTD gør det muligt at udføre 3D- og 2D-FDTD-simuleringer direkte på et komplet PIC-design for at validere designet. Selvom det er svært for ethvert elektromagnetisk simuleringsværktøj at simulere en meget stor skala PIC, er den sparsomme FDTD i stand til at simulere et ret stort lokalområde. I traditionel 3D FDTD begynder simuleringen med at initialisere de seks komponenter i det elektromagnetiske felt inden for et specifikt kvantiseret volumen. Som tiden skrider frem, beregnes den nye feltkomponent i volumen, og så videre. Hvert trin kræver meget udregning, så det tager lang tid. I sparsom 3D FDTD, i stedet for at beregne ved hvert trin ved hvert punkt i volumenet, opretholdes en liste over feltkomponenter, der teoretisk kan svare til et vilkårligt stort volumen og kun beregnes for disse komponenter. Ved hvert tidstrin tilføjes punkter, der støder op til feltkomponenter, mens feltkomponenter under en bestemt effekttærskel droppes. For nogle strukturer kan denne beregning være flere størrelsesordener hurtigere end traditionel 3D FDTD. Men sparsomme FDTDS klarer sig ikke godt, når de har at gøre med dispersive strukturer, fordi dette tidsfelt spredes for meget, hvilket resulterer i lister, der er for lange og svære at administrere. Figur 1 viser et eksempel på et skærmbillede af en 3D FDTD-simulering, der ligner en polarisationsstråledeler (PBS).
Figur 1: Simuleringsresultater fra 3D sparsom FDTD. (A) er et billede fra oven af strukturen, der simuleres, som er en retningsbestemt kobling. (B) Viser et skærmbillede af en simulering ved brug af kvasi-TE excitation. De to ovenstående diagrammer viser quasi-TE- og quasi-TM-signalerne ovenfra, og de to diagrammer nedenfor viser det tilsvarende tværsnitsbillede. (C) Viser et skærmbillede af en simulering ved hjælp af quasi-TM excitation.
Indlægstid: 23-jul-2024