Oblikovanjefotonskiintegrirano vezje
Fotonska integrirana vezja(PIC) so pogosto zasnovani s pomočjo matematičnih skriptov zaradi pomena dolžine poti v interferometrih ali drugih aplikacijah, ki so občutljive na dolžino poti.PICse izdeluje z nanosom več plasti (običajno od 10 do 30) na rezino, ki je sestavljena iz številnih poligonalnih oblik, pogosto predstavljenih v formatu GDSII. Preden datoteko pošljete proizvajalcu fotomaske, je zelo zaželeno, da lahko simulirate PIC, da preverite pravilnost zasnove. Simulacija je razdeljena na več ravni: najnižja raven je tridimenzionalna elektromagnetna (EM) simulacija, kjer se simulacija izvaja na ravni podvalovnih dolžin, čeprav se interakcije med atomi v materialu obravnavajo na makroskopski ravni. Tipične metode vključujejo tridimenzionalno simulacijo v časovni domeni s končnimi razlikami (3D FDTD) in ekspanzijo lastnih modov (EME). Te metode so najbolj natančne, vendar so nepraktične za celoten čas simulacije PIC. Naslednja raven je 2,5-dimenzionalna EM simulacija, kot je širjenje žarka s končnimi razlikami (FD-BPM). Te metode so veliko hitrejše, vendar žrtvujejo nekaj natančnosti in lahko obravnavajo le paraksialno širjenje ter jih ni mogoče uporabiti za simulacijo resonatorjev, na primer. Naslednja raven je 2D EM simulacija, kot sta 2D FDTD in 2D BPM. Tudi te so hitrejše, vendar imajo omejeno funkcionalnost, saj ne morejo simulirati rotatorjev polarizacije. Nadaljnja raven je simulacija matrike prenosa in/ali sipanja. Vsaka glavna komponenta se reducira na komponento z vhodom in izhodom, priključeni valovod pa na element faznega premika in slabljenja. Te simulacije so izjemno hitre. Izhodni signal se dobi z množenjem matrike prenosa z vhodnim signalom. Matrika sipanja (katere elementi se imenujejo S-parametri) pomnoži vhodne in izhodne signale na eni strani, da najde vhodne in izhodne signale na drugi strani komponente. V bistvu matrika sipanja vsebuje odboj znotraj elementa. Matrika sipanja je običajno dvakrat večja od matrike prenosa v vsaki dimenziji. Skratka, od 3D EM do simulacije matrike prenosa/sipanja vsaka plast simulacije predstavlja kompromis med hitrostjo in natančnostjo, oblikovalci pa izberejo pravo raven simulacije za svoje specifične potrebe, da optimizirajo postopek validacije zasnove.
Vendar pa zanašanje na elektromagnetno simulacijo določenih elementov in uporaba matrike sipanja/prenosa za simulacijo celotnega PIC-a ne zagotavlja popolnoma pravilne zasnove pred pretočno ploščo. Na primer, napačno izračunane dolžine poti, večmodni valovodi, ki ne morejo učinkovito zatreti modov višjega reda, ali dva valovoda, ki sta preblizu drug drugemu, kar vodi do nepričakovanih težav s sklopitvijo, med simulacijo verjetno ne bodo odkriti. Zato napredna simulacijska orodja, čeprav zagotavljajo zmogljive zmogljivosti za validacijo zasnove, še vedno zahtevajo visoko stopnjo budnosti in skrbnega pregleda s strani oblikovalca, skupaj s praktičnimi izkušnjami in tehničnim znanjem, da se zagotovi natančnost in zanesljivost zasnove ter zmanjša tveganje za pretočno shemo.
Tehnika, imenovana redka FDTD, omogoča neposredno izvajanje 3D in 2D FDTD simulacij na celotni zasnovi PIC-a za validacijo zasnove. Čeprav je za katero koli orodje za elektromagnetno simulacijo težko simulirati PIC v zelo velikem merilu, je redka FDTD sposobna simulirati precej veliko lokalno območje. Pri tradicionalni 3D FDTD se simulacija začne z inicializacijo šestih komponent elektromagnetnega polja znotraj določenega kvantiziranega volumna. Sčasoma se izračuna nova komponenta polja v volumnu in tako naprej. Vsak korak zahteva veliko izračunov, zato traja dolgo. Pri redki 3D FDTD se namesto izračunavanja v vsakem koraku na vsaki točki volumna vzdržuje seznam komponent polja, ki lahko teoretično ustrezajo poljubno velikemu volumnu in se izračunajo samo za te komponente. V vsakem časovnem koraku se dodajo točke, ki mejijo na komponente polja, medtem ko se komponente polja pod določenim pragom moči izločijo. Pri nekaterih strukturah je lahko ta izračun za nekaj velikostnih razredov hitrejši od tradicionalne 3D FDTD. Vendar pa redke FDTDS ne delujejo dobro pri delu z disperzivnimi strukturami, ker se to časovno polje preveč razprši, kar ima za posledico predolge sezname, ki jih je težko upravljati. Slika 1 prikazuje primer posnetka zaslona 3D FDTD simulacije, podobne polarizacijskemu delilniku žarka (PBS).
Slika 1: Rezultati simulacije s 3D redko FDTD. (A) je pogled od zgoraj na simulirano strukturo, ki je usmerjeni sklopnik. (B) Prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-TE vzbujanja. Zgornja dva diagrama prikazujeta pogled od zgoraj na kvazi-TE in kvazi-TM signale, spodnja dva diagrama pa prikazujeta ustrezen prečni prerez. (C) Prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-TM vzbujanja.
Čas objave: 23. julij 2024