Návrh fotonického integrovaného obvodu

Design offotonickýintegrovaný obvod

Fotonické integrované obvody(PIC) jsou často navrhovány pomocí matematických skriptů kvůli důležitosti délky dráhy v interferometrech nebo jiných aplikacích, které jsou citlivé na délku dráhy.PICse vyrábí vzorkováním více vrstev (typicky 10 až 30) na wafer, které se skládají z mnoha polygonálních tvarů, často reprezentovaných ve formátu GDSII. Před odesláním souboru výrobci fotomasky je velmi žádoucí mít možnost simulovat PIC pro ověření správnosti návrhu. Simulace je rozdělena do několika úrovní: nejnižší úroveň je trojrozměrná elektromagnetická (EM) simulace, kde se simulace provádí na úrovni sub-vlnových délek, ačkoli interakce mezi atomy v materiálu jsou řešeny v makroskopickém měřítku. Typické metody zahrnují trojrozměrnou časovou doménu s konečným rozdílem (3D FDTD) a expanzi vlastního módu (EME). Tyto metody jsou nejpřesnější, ale jsou nepraktické po celou dobu simulace PIC. Další úrovní je 2,5rozměrná EM simulace, jako je šíření paprsku konečným rozdílem (FD-BPM). Tyto metody jsou mnohem rychlejší, ale obětují určitou přesnost a zvládnou 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 neumí simulovat polarizační rotátory. Další úrovní je simulace přenosové a/nebo rozptylové matice. Každý hlavní komponent je redukován na komponent se vstupem a výstupem a připojený vlnovod je redukován na prvek fázového posuvu a útlumu. Tyto simulace jsou extrémně rychlé. Výstupní signál se získá vynásobením přenosové matice vstupním signálem. Rozptylovací matice (jejíž prvky se nazývají S-parametry) násobí vstupní a výstupní signály na jedné straně, aby nalezla vstupní a výstupní signály na druhé straně komponenty. V podstatě rozptylová matice obsahuje odraz uvnitř prvku. Matice rozptylu je obvykle dvakrát větší než matice přenosu v každém rozměru. Stručně řečeno, od 3D EM po simulaci přenosové/rozptylové matice, každá vrstva simulace představuje kompromis mezi rychlostí a přesností a návrháři volí správnou úroveň simulace pro své specifické potřeby, aby optimalizovali proces ověřování návrhu.

Spoléhání se na elektromagnetickou simulaci určitých prvků a použití rozptylové/přenosové matice k simulaci celého PIC však nezaručuje zcela správný návrh před průtokovou deskou. Například špatně vypočítané délky cest, vícevidové vlnovody, které nedokážou účinně potlačit režimy vysokého řádu, nebo dva vlnovody, které jsou příliš blízko u sebe, což vede k neočekávaným problémům s vazbou, pravděpodobně během simulace nezjistí. Proto, ačkoli pokročilé simulační nástroje poskytují výkonné možnosti ověřování návrhu, stále vyžaduje vysoký stupeň bdělosti a pečlivou kontrolu ze strany konstruktéra v kombinaci s praktickými zkušenostmi a technickými znalostmi, aby byla zajištěna přesnost a spolehlivost návrhu a sníženo riziko vývojový diagram.

Technika nazývaná řídká FDTD umožňuje provádět 3D a 2D simulace FDTD přímo na kompletním návrhu PIC za účelem ověření návrhu. Ačkoli je pro jakýkoli elektromagnetický simulační nástroj obtížné simulovat PIC ve velkém měřítku, řídký FDTD je schopen simulovat poměrně velkou místní oblast. V tradičním 3D FDTD začíná simulace inicializací šesti složek elektromagnetického pole v rámci specifického kvantovaného objemu. Postupem času se vypočítá nová složka pole v objemu a tak dále. Každý krok vyžaduje hodně výpočtů, takže to trvá dlouho. V řídkém 3D FDTD se místo počítání v každém kroku v každém bodě objemu udržuje seznam složek pole, které mohou teoreticky odpovídat libovolně velkému objemu a lze je vypočítat pouze pro tyto složky. V každém časovém kroku se přidávají body sousedící se složkami pole, zatímco složky pole pod určitou prahovou hodnotou výkonu jsou vynechány. U některých struktur může být tento výpočet o několik řádů rychlejší než tradiční 3D FDTD. Řídké FDTDS však nefungují dobře při práci s disperzními strukturami, protože toto časové pole se příliš šíří, což vede k příliš dlouhým seznamům a jejich správě je obtížné. Obrázek 1 ukazuje ukázkový snímek obrazovky 3D FDTD simulace podobné rozdělovači polarizačního paprsku (PBS).

Obrázek 1: Výsledky simulace z 3D řídkého FDTD. (A) je pohled shora na simulovanou konstrukci, která je směrovou spojkou. (B) Ukazuje snímek obrazovky simulace využívající kvazi-TE buzení. Dva výše uvedené diagramy ukazují pohled shora na signály kvazi-TE a kvazi-TM a dva níže uvedené diagramy znázorňují odpovídající pohled v řezu. (C) Ukazuje snímek obrazovky simulace využívající kvazi-TM buzení.


Čas odeslání: 23. července 2024