Design affotoniskIntegreret kredsløb
Fotoniske integrerede kredsløb(PIC) er ofte designet ved hjælp af matematiske scripts på grund af vigtigheden af sti -længde i interferometre eller andre anvendelser, der er følsomme over for sti -længden.Billedefremstilles ved at mønstre flere lag (typisk 10 til 30) på en skive, der er sammensat af mange polygonale former, ofte repræsenteret i GDSII -formatet. Før du sender filen til fotomaskproducenten, er det stærkt ønskeligt at være i stand til at simulere billedet for at verificere designets rigtige. Simuleringen er opdelt i flere niveauer: det laveste niveau er den tredimensionelle elektromagnetiske (EM) simulering, hvor simuleringen udføres på subbølgelængde-niveau, skønt interaktionerne mellem atomer i materialet håndteres i den makroskopiske skala. Typiske metoder inkluderer tredimensionel finite-forskel tidsdomæne (3D FDTD) og Eigenmode Expansion (EME). Disse metoder er de mest nøjagtige, men er upraktiske for hele PIC -simuleringstiden. Det næste niveau er 2,5-dimensionel EM-simulering, såsom endelig forskel på stråleformering (FD-BPM). Disse metoder er meget hurtigere, men ofrer en vis nøjagtighed og kan kun håndtere paraxial forplantning og kan ikke bruges til at simulere resonatorer, for eksempel. Det næste niveau er 2D EM -simulering, såsom 2D FDTD og 2D BPM. Disse er også hurtigere, men har begrænset funktionalitet, som 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 faseskift og dæmpningselement. Disse simuleringer er ekstremt hurtige. Udgangssignalet opnås ved at multiplicere transmissionsmatrixen med indgangssignalet. Spredningsmatrixen (hvis elementer kaldes S-parametre) multiplicerer input- og output-signalerne på den ene side for at finde input- og output-signalerne på den anden side af komponenten. Grundlæggende indeholder spredningsmatrixen reflektionen inde i elementet. Spredningsmatrixen er normalt dobbelt så stor som transmissionsmatrixen i hver dimension. Sammenfattende, fra 3D EM til transmission/spredningsmatrix-simulering, præsenterer hvert lag af simulering en afvejning mellem hastighed og nøjagtighed, og designere vælger det rigtige simuleringsniveau for deres specifikke behov for at optimere designvalideringsprocessen.
At stole på elektromagnetisk simulering af visse elementer og ved hjælp af en spredning/overførselsmatrix til simulering af hele PIC garanterer ikke et helt korrekt design foran strømningspladen. F.eks. Okkallede fejllængder, multimode-bølgeledere, der ikke effektivt undertrykker højordens tilstande, eller to bølgeledere, der er for tæt på hinanden, der fører til uventede koblingsproblemer, vil sandsynligvis gå uopdaget under simulering. Selvom avancerede simuleringsværktøjer giver kraftfulde designvalideringsfunktioner, 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 strømningsarket.
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 vanskeligt for ethvert elektromagnetisk simuleringsværktøj at simulere et meget stort billede, er den sparsomme FDTD i stand til at simulere et ret stort lokalt område. I traditionel 3D FDTD begynder simuleringen med at initialisere de seks komponenter i det elektromagnetiske felt inden for et specifikt kvantiseret volumen. Efterhånden som tiden skrider frem, beregnes den nye feltkomponent i lydstyrken osv. Hvert trin kræver en masse beregning, så det tager lang tid. I sparsom 3D FDTD, i stedet for at beregne på hvert trin på hvert punkt på lydstyrken, opretholdes en liste over feltkomponenter, der teoretisk kan svare til et vilkårligt stort volumen og kun beregnes for disse komponenter. På hvert tidstrin tilføjes punkter, der støder op til feltkomponenter, mens feltkomponenter under en bestemt effektgrænse falder. For nogle strukturer kan denne beregning være flere størrelsesordener hurtigere end traditionel 3D FDTD. Imidlertid fungerer sparsomme FDTD'er ikke godt, når man håndterer spredende strukturer, fordi denne gang felt spreder sig for meget, hvilket resulterer i lister, der er for lange og vanskelige at styre. Figur 1 viser et eksempel på skærmbillede af en 3D FDTD -simulering svarende til en polarisationsbjælkeplitter (PBS).
Figur 1: Simuleringsresultater fra 3D sparsom FDTD. (A) er et topbillede af strukturen, der simuleres, hvilket er en retningsbestemt kobling. (B) viser et skærmbillede af en simulering ved anvendelse af kvasi-te-excitation. De to diagrammer ovenfor viser den øverste visning af kvasi-TE- og kvasi-TM-signaler, og de to diagrammer nedenfor viser det tilsvarende tværsnitsbillede. (C) viser et skærmbillede af en simulering ved anvendelse af kvasi-TM-excitation.
Posttid: Jul-23-2024