Proiectareafotoniccircuit integrat
Circuite integrate fotonice(PIC) sunt adesea proiectate cu ajutorul unor scripturi matematice datorită importanței lungimii căii de transmisie în interferometre sau alte aplicații sensibile la lungimea căii de transmisie.PICse fabrică prin modelarea mai multor straturi (de obicei 10 până la 30) pe o plachetă, care sunt compuse din mai multe forme poligonale, adesea reprezentate în format GDSII. Înainte de a trimite fișierul producătorului de fotomăști, este foarte de dorit să se poată simula PIC-ul pentru a verifica corectitudinea designului. Simularea este împărțită în mai multe niveluri: cel mai scăzut nivel este simularea electromagnetică tridimensională (EM), unde simularea este efectuată la nivel sub lungimea de undă, deși interacțiunile dintre atomii din material sunt tratate la scară macroscopică. Metodele tipice includ simularea tridimensională cu diferențe finite în domeniul timpului (3D FDTD) și expansiunea modurilor proprii (EME). Aceste metode sunt cele mai precise, dar sunt impracticabile pentru întreaga durată a simulării PIC. Următorul nivel este simularea EM 2,5-dimensională, cum ar fi propagarea fasciculului cu diferențe finite (FD-BPM). Aceste metode sunt mult mai rapide, dar sacrifică o oarecare precizie și pot gestiona doar propagarea paraaxială și nu pot fi utilizate pentru a simula rezonatoare, de exemplu. Următorul nivel este simularea EM 2D, cum ar fi 2D FDTD și 2D BPM. Acestea sunt, de asemenea, mai rapide, dar au funcționalitate limitată, cum ar fi faptul că nu pot simula rotatorii de polarizare. Un alt nivel este simularea matricei de transmisie și/sau împrăștiere. Fiecare componentă majoră este redusă la o componentă cu intrare și ieșire, iar ghidul de undă conectat este redus la un element de defazaj și atenuare. Aceste simulări sunt extrem de rapide. Semnalul de ieșire se obține prin înmulțirea matricei de transmisie cu semnalul de intrare. Matricea de împrăștiere (ale cărei elemente se numesc parametri S) înmulțește semnalele de intrare și ieșire de pe o parte pentru a găsi semnalele de intrare și ieșire de pe cealaltă parte a componentei. Practic, matricea de împrăștiere conține reflexia din interiorul elementului. Matricea de împrăștiere este de obicei de două ori mai mare decât matricea de transmisie în fiecare dimensiune. În concluzie, de la EM 3D la simularea matricei de transmisie/împrăștiere, fiecare strat de simulare prezintă un compromis între viteză și precizie, iar proiectanții aleg nivelul potrivit de simulare pentru nevoile lor specifice pentru a optimiza procesul de validare a proiectării.
Cu toate acestea, bazarea pe simularea electromagnetică a anumitor elemente și utilizarea unei matrice de împrăștiere/transfer pentru a simula întregul PIC nu garantează un design complet corect în fața plăcii de flux. De exemplu, lungimile traseului calculate greșit, ghidurile de undă multimod care nu reușesc să suprime eficient modurile de ordin superior sau două ghiduri de undă prea apropiate unul de celălalt, ceea ce duce la probleme de cuplare neașteptate, sunt susceptibile de a trece nedetectate în timpul simulării. Prin urmare, deși instrumentele avansate de simulare oferă capacități puternice de validare a designului, acestea necesită totuși un grad ridicat de vigilență și o inspecție atentă din partea proiectantului, combinate cu experiență practică și cunoștințe tehnice, pentru a asigura acuratețea și fiabilitatea designului și a reduce riscul schemei de flux.
O tehnică numită FDTD dispersă permite efectuarea de simulări FDTD 3D și 2D direct pe un design PIC complet pentru validarea designului. Deși este dificil pentru orice instrument de simulare electromagnetică să simuleze un PIC la scară foarte mare, FDTD dispersă este capabilă să simuleze o zonă locală destul de mare. În FDTD 3D tradițional, simularea începe prin inițializarea celor șase componente ale câmpului electromagnetic dintr-un volum cuantizat specific. Pe măsură ce timpul trece, se calculează noua componentă a câmpului din volum și așa mai departe. Fiecare pas necesită multe calcule, deci durează mult timp. În FDTD 3D dispersă, în loc să se calculeze la fiecare pas în fiecare punct al volumului, se menține o listă de componente ale câmpului care pot corespunde teoretic unui volum arbitrar de mare și pot fi calculate numai pentru acele componente. La fiecare pas de timp, se adaugă puncte adiacente componentelor câmpului, în timp ce componentele câmpului sub un anumit prag de putere sunt eliminate. Pentru unele structuri, acest calcul poate fi cu câteva ordine de mărime mai rapid decât FDTD 3D tradițional. Cu toate acestea, FDTDS-urile rare nu funcționează bine atunci când se ocupă de structuri dispersive, deoarece acest câmp temporal se răspândește prea mult, rezultând liste prea lungi și dificil de gestionat. Figura 1 prezintă un exemplu de captură de ecran a unei simulări 3D FDTD similară cu un divizor de fascicul de polarizare (PBS).
Figura 1: Rezultatele simulării din FDTD 3D dispers. (A) este o vedere de sus a structurii simulate, care este un cuplor direcțional. (B) Prezintă o captură de ecran a unei simulări folosind excitație cvasi-TE. Cele două diagrame de mai sus prezintă vederea de sus a semnalelor cvasi-TE și cvasi-TM, iar cele două diagrame de mai jos prezintă vederea în secțiune transversală corespunzătoare. (C) Prezintă o captură de ecran a unei simulări folosind excitație cvasi-TM.
Data publicării: 23 iulie 2024