Návrhfotonickýintegrovaný obvod
Fotonické integrované obvody(PIC) jsou často navrhovány s pomocí matematických skriptů kvůli důležitosti délky dráhy v interferometrech nebo jiných aplikacích, které jsou na délku dráhy citlivé.PICse vyrábí nanášením více vrstev (obvykle 10 až 30) na destičku, které se skládají z mnoha polygonálních tvarů, často reprezentovaných ve formátu GDSII. Před odesláním souboru výrobci fotomasky je velmi žádoucí být schopen simulovat PIC, aby se ověřila správnost návrhu. Simulace je rozdělena do několika úrovní: nejnižší úrovní je trojrozměrná elektromagnetická (EM) simulace, kde se simulace provádí na subvlnové úrovni, ačkoli interakce mezi atomy v materiálu jsou zpracovávány v makroskopickém měřítku. Mezi typické metody patří trojrozměrná metoda konečných diferencí v časové doméně (3D FDTD) a expanze vlastních módů (EME). Tyto metody jsou nejpřesnější, ale jsou nepraktické pro celou dobu simulace PIC. Další úrovní je 2,5rozměrná EM simulace, jako je například šíření paprsku metodou konečných diferencí (FD-BPM). Tyto metody jsou mnohem rychlejší, ale obětují určitou přesnost a zvládají pouze paraxiální šíření a nelze je použít například k simulaci rezonátorů. Další úrovní je 2D EM simulace, jako je 2D FDTD a 2D BPM. Ty jsou také rychlejší, ale mají omezenou funkčnost, například nemohou simulovat rotátory polarizace. Další úrovní je simulace matice přenosu a/nebo rozptylu. Každá hlavní složka je redukována na složku se vstupem a výstupem a připojený vlnovod je redukován na prvek fázového posunu a útlumu. Tyto simulace jsou extrémně rychlé. Výstupní signál se získá vynásobením matice přenosu vstupním signálem. Matice rozptylu (jejíž prvky se nazývají S-parametry) vynásobí vstupní a výstupní signály na jedné straně, aby našla vstupní a výstupní signály na druhé straně složky. V podstatě matice rozptylu obsahuje odraz uvnitř prvku. Matice rozptylu je obvykle dvakrát větší než matice přenosu v každém rozměru. Stručně řečeno, od 3D EM k simulaci matice přenosu/rozptylu představuje každá vrstva simulace kompromis mezi rychlostí a přesností a konstruktéři volí správnou úroveň simulace pro své specifické potřeby, aby optimalizovali proces validace návrhu.
Spoléhání se na elektromagnetickou simulaci určitých prvků a použití matice rozptylu/přenosu k simulaci celého PIC však nezaručuje zcela správný návrh před průtokovou deskou. Například špatně vypočítané délky dráhy, vícemódové vlnovody, které nedokážou účinně potlačit módy vyššího řádu, nebo dva vlnovody, které jsou příliš blízko sebe, což vede k neočekávaným problémům s vazbou, pravděpodobně zůstanou během simulace neodhaleny. Proto i když pokročilé simulační nástroje poskytují výkonné možnosti validace návrhu, stále vyžadují vysokou míru bdělosti a pečlivé kontroly ze strany konstruktéra v kombinaci s praktickými zkušenostmi a technickými znalostmi, aby byla zajištěna přesnost a spolehlivost návrhu a sníženo riziko poruch průtokového schématu.
Technika zvaná řídká FDTD umožňuje provádět 3D a 2D FDTD simulace přímo na kompletním návrhu PIC za účelem ověření návrhu. Ačkoli je pro jakýkoli nástroj pro elektromagnetickou simulaci obtížné simulovat PIC ve velmi velkém měřítku, řídká FDTD je schopna simulovat poměrně velkou lokální oblast. V tradiční 3D FDTD simulace začíná inicializací šesti složek elektromagnetického pole v rámci specifického kvantovaného objemu. Postupem času se vypočítává nová složka pole v objemu atd. Každý krok vyžaduje mnoho výpočtů, takže trvá dlouho. V řídké 3D FDTD se namísto výpočtu v každém kroku v každém bodě objemu udržuje seznam složek pole, které mohou teoreticky odpovídat libovolně velkému objemu a mohou být vypočítány pouze pro tyto složky. V každém časovém kroku se přidávají body sousedící se složkami pole, zatímco složky pole pod určitou prahovou hodnotou výkonu se odstraňují. U některých struktur může být tento výpočet o několik řádů rychlejší než u tradiční 3D FDTD. Řídké FDTDS však nefungují dobře při práci s disperzními strukturami, protože toto časové pole se příliš rozpíná, což má za následek příliš dlouhé a obtížně spravovatelné seznamy. Obrázek 1 ukazuje příklad 3D FDTD simulace podobné polarizačnímu děliči paprsku (PBS).
Obrázek 1: Výsledky simulace z 3D řídké FDTD. (A) je pohled shora na simulovanou strukturu, kterou je směrový vazební člen. (B) Zobrazuje snímek obrazovky simulace s použitím kvazi-TE buzení. Dva výše uvedené diagramy ukazují pohled shora na signály kvazi-TE a kvazi-TM a dva níže uvedené diagramy ukazují odpovídající průřezový pohled. (C) Zobrazuje snímek obrazovky simulace s použitím kvazi-TM buzení.
Čas zveřejnění: 23. července 2024