Oblikovanje fotonskega integriranega vezja

Oblikovanjefotoničnointegrirano vezje

Fotonska integrirana vezja(PIC) so pogosto zasnovani s pomočjo matematičnih skript zaradi pomena dolžine poti v interferometrih ali drugih aplikacijah, ki so občutljive na dolžino poti.Slikaizdeluje z vzorčenjem več plasti (običajno od 10 do 30) na rezini, ki je sestavljena iz številnih poligonalnih oblik, ki so pogosto predstavljene v obliki GDSII. Preden pošljete datoteko proizvajalcu fotomask, je močno zaželeno, da lahko simulirate PIC, da preverite pravilnost dizajna. Simulacija je razdeljena na več ravni: najnižja raven je tridimenzionalna elektromagnetna (EM) simulacija, kjer se simulacija izvaja na ravni pod valovno dolžino, čeprav se interakcije med atomi v materialu ravnajo na makroskopski lestvici. Tipične metode vključujejo tridimenzionalno časovno domeno končne razlike (3D FDTD) in širitev EigenMode (EME). Te metode so najbolj natančne, vendar so za celoten čas simulacije PIC nepraktične. Naslednja stopnja je 2,5-dimenzionalna simulacija EM, kot je širjenje končne razlike (FD-BPM). Te metode so veliko hitrejše, vendar žrtvujejo neko natančnost in lahko samo obvladujejo paraksialno širjenje in jih ni mogoče uporabiti za simulacijo resonatorjev, na primer. Naslednja raven je 2D simulacija EM, kot sta 2D FDTD in 2D BPM. Te so tudi hitrejše, vendar imajo omejene funkcionalnosti, na primer ne morejo simulirati rotatorjev polarizacije. Nadaljnja raven je simulacija matrike prenosa in/ali razprševanja. Vsaka večja komponenta se zmanjša na komponento z vhodnim in izhodom, priključen valovod pa se zmanjša na fazni premik in oslabljeni element. Te simulacije so izjemno hitre. Izhodni signal dobimo tako, da pomnožimo matrico prenosa z vhodnim signalom. Matrika razprševanja (katere elementi se imenujejo S-parametri) pomnoži vhodne in izhodne signale na eni strani, da bi na drugi strani komponente poiskali vhodne in izhodne signale. V bistvu matrika razprševanja vsebuje odsev znotraj elementa. Matrika razprševanja je običajno dvakrat večja kot matrika prenosa v vsaki dimenziji. Če povzamemo, od 3D EM do simulacije matrike prenosa/razprševanja, vsaka plast simulacije predstavlja kompromis med hitrostjo in natančnostjo, oblikovalci pa izberejo pravo raven simulacije za svoje posebne potrebe za optimizacijo postopka validacije oblikovanja.

Vendar pa se zanašanje na elektromagnetno simulacijo nekaterih elementov in uporaba matrice razprševanja/prenosa za simulacijo celotne slike ne zagotavlja popolnoma pravilne zasnove pred pretočno ploščo. Na primer, napačno izračunane dolžine poti, večmodni valovodi, ki ne uspejo učinkovito zatirati načinov visokega reda, ali dva valovoda, ki sta preblizu drug drugemu, kar vodi do nepričakovanih težav s spajanjem, verjetno ne bodo med simulacijo ostali neopaženi. Čeprav napredna simulacijska orodja zagotavljajo močne zmogljivosti za validacijo oblikovanja, še vedno zahteva visoko stopnjo budnosti in skrbnega pregleda oblikovalca v kombinaciji s praktičnimi izkušnjami in tehničnim znanjem, da se zagotovi natančnost in zanesljivost zasnove ter zmanjšuje tveganje za pretočni list.

Tehnika, imenovana SPARSE FDTD, omogoča, da se simulacije 3D in 2D FDTD izvajajo neposredno na celotni zasnovi PIC, da se preveri zasnova. Čeprav je vsako elektromagnetno simulacijsko orodje težko simulirati zelo veliko sliko, je redki FDTD sposoben simulirati dokaj veliko lokalno območje. V tradicionalnem 3D FDTD se simulacija začne z inicializacijo šest komponent elektromagnetnega polja znotraj določenega kvantiziranega volumna. Ko čas napreduje, se izračuna nova komponenta polja v volumnu in tako naprej. Vsak korak zahteva veliko izračuna, zato traja dolgo. V redkem 3D FDTD se namesto izračuna na vsakem koraku na vsaki točki volumna ohrani seznam komponent polja, ki lahko teoretično ustreza poljubno velikem volumnu in se izračuna 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 spustijo. Za nekatere strukture je lahko ta računanje več vrst velikosti hitrejše od tradicionalnega 3D FDTD. Vendar pa redki FDTD ne delujejo dobro, ko se ukvarjajo z disperzivnimi strukturami, ker se to časovno polje širi preveč, kar ima za posledico sezname, ki jih je predolgo in težko upravljati. Slika 1 prikazuje primer posnetka zaslona 3D FDTD simulacije, podobno razdelilniku polarizacijskega žarka (PBS).

Slika 1: Rezultati simulacije iz 3D redkega FDTD. (A) je zgornji pogled na simulirano strukturo, ki je usmerjena spojka. (B) prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-te vzbujanja. Oba zgornja diagrama prikazujeta zgornji pogled na kvazi-te in quasi-TM signale, oba diagrama pa prikazujeta ustrezen pogled v preseku. (C) prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-TM vzbujanja.