Zasnova fotoničnega integriranega vezja

Oblikovanjefotonskiintegrirano vezje

Fotonska integrirana vezja(PIC) so pogosto oblikovani s pomočjo matematičnih skriptov zaradi pomena dolžine poti v interferometrih ali drugih aplikacijah, ki so občutljive na dolžino poti.PICse proizvaja z nanosom več plasti (običajno 10 do 30) na rezino, ki so sestavljene iz številnih poligonalnih oblik, pogosto predstavljenih v formatu GDSII. Preden pošljete datoteko proizvajalcu fotomaske, je zelo zaželeno, da imate možnost simulacije PIC, da preverite pravilnost zasnove. Simulacija je razdeljena na več ravni: najnižja raven je tridimenzionalna elektromagnetna (EM) simulacija, kjer se simulacija izvaja na podvalovni ravni, čeprav se interakcije med atomi v materialu obravnavajo na makroskopskem nivoju. Tipične metode vključujejo tridimenzionalno časovno domeno s končno razliko (3D FDTD) in razširitev lastnega načina (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 končno razliko (FD-BPM). Te metode so veliko hitrejše, vendar žrtvujejo nekaj natančnosti in lahko obravnavajo samo paraksialno širjenje in jih na primer ni mogoče uporabiti za simulacijo resonatorjev. Naslednja raven je 2D EM simulacija, kot sta 2D FDTD in 2D BPM. Ti so tudi hitrejši, vendar imajo omejeno funkcionalnost, na primer ne morejo simulirati polarizacijskih rotatorjev. Nadaljnja raven je simulacija transmisijske in/ali sipalne matrike. Vsaka večja komponenta je zmanjšana na komponento z vhodom in izhodom, povezani valovod pa je zmanjšan na fazni zamik in dušilni element. Te simulacije so izjemno hitre. Izhodni signal dobimo z množenjem prenosne matrike 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. Če povzamemo, 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 posebne potrebe, da optimizirajo postopek validacije načrta.

Vendar pa zanašanje na elektromagnetno simulacijo določenih elementov in uporaba matrike razprševanja/prenosa za simulacijo celotnega PIC ne zagotavlja popolnoma pravilne zasnove pred pretočno ploščo. Na primer, napačno izračunane dolžine poti, večmodni valovod, ki ne uspe učinkovito zatreti načinov visokega reda, ali dva valovoda, ki sta preblizu drug drugemu, kar povzroča nepričakovane težave pri spajanju, med simulacijo verjetno ne bodo zaznane. Čeprav napredna simulacijska orodja zagotavljajo zmogljive zmožnosti validacije zasnove, še vedno zahtevajo visoko stopnjo budnosti in natančen pregled s strani oblikovalca, skupaj s praktičnimi izkušnjami in tehničnim znanjem, da zagotovijo natančnost in zanesljivost zasnove ter zmanjšajo tveganje za potek.

Tehnika, imenovana sparse FDTD, omogoča izvedbo 3D in 2D simulacij FDTD neposredno na celotnem dizajnu PIC za potrditev dizajna. Čeprav je za katero koli orodje za elektromagnetno simulacijo težko simulirati PIC zelo velikega obsega, lahko redki FDTD simulira dokaj veliko lokalno območje. V tradicionalnem 3D FDTD se simulacija začne z inicializacijo šestih komponent elektromagnetnega polja v določenem kvantiziranem volumnu. Sčasoma se izračuna nova komponenta polja v prostornini in tako naprej. Vsak korak zahteva veliko računanja, zato traja dolgo. V redkem 3D FDTD se namesto izračuna na vsakem koraku na vsaki točki prostornine 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 izpustijo. Pri nekaterih strukturah je lahko ta izračun za nekaj velikosti hitrejši od tradicionalnega 3D FDTD. Vendar se redki FDTDS ne obnesejo dobro pri obravnavanju razpršenih struktur, ker se to časovno polje preveč razširi, kar ima za posledico sezname, ki so predolgi in jih je težko upravljati. Slika 1 prikazuje primer posnetka zaslona 3D simulacije FDTD, ki je podobna polarizacijskemu cepilniku žarka (PBS).

Slika 1: Rezultati simulacije iz 3D redkega FDTD. (A) je pogled od zgoraj na simulirano strukturo, ki je usmerjena sklopka. (B) Prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-TE vzbujanja. Zgornja diagrama prikazujeta pogled od zgoraj kvazi-TE in kvazi-TM signalov, spodnja diagrama pa prikazujeta ustrezen pogled v prečnem prerezu. (C) Prikazuje posnetek zaslona simulacije z uporabo kvazi-TM vzbujanja.


Čas objave: 23. julij 2024