Disseny defotònicacircuit integrat
Circuits integrats fotònics(PIC) sovint es dissenyen amb l'ajuda d'scripts matemàtics a causa de la importància de la longitud del camí en interferòmetres o altres aplicacions que són sensibles a la longitud del camí.PICes fabrica amb múltiples capes (normalment de 10 a 30) sobre una hòstia, que es componen de moltes formes poligonals, sovint representades en el format GDSII. Abans d'enviar el fitxer al fabricant de la fotomàscara, és molt desitjable poder simular el PIC per verificar la correcció del disseny. La simulació es divideix en múltiples nivells: el nivell més baix és la simulació electromagnètica tridimensional (EM), on la simulació es realitza a nivell de sublongitud d'ona, encara que les interaccions entre àtoms del material es gestionen a escala macroscòpica. Els mètodes típics inclouen el domini temporal de diferències finites tridimensional (FDTD 3D) i l'expansió en mode propi (EME). Aquests mètodes són els més precisos, però no són pràctics durant tot el temps de simulació PIC. El següent nivell és la simulació EM de 2,5 dimensions, com ara la propagació de feix de diferència finita (FD-BPM). Aquests mètodes són molt més ràpids, però sacrifiquen certa precisió i només poden gestionar la propagació paraxial i no es poden utilitzar per simular ressonadors, per exemple. El següent nivell és la simulació EM 2D, com ara 2D FDTD i 2D BPM. També són més ràpids, però tenen una funcionalitat limitada, ja que no poden simular rotadors de polarització. Un altre nivell és la simulació de matriu de transmissió i/o dispersió. Cada component principal es redueix a un component amb entrada i sortida, i la guia d'ones connectada es redueix a un element de canvi de fase i atenuació. Aquestes simulacions són extremadament ràpides. El senyal de sortida s'obté multiplicant la matriu de transmissió pel senyal d'entrada. La matriu de dispersió (els elements de la qual s'anomenen paràmetres S) multiplica els senyals d'entrada i sortida d'un costat per trobar els senyals d'entrada i sortida a l'altre costat del component. Bàsicament, la matriu de dispersió conté la reflexió dins de l'element. La matriu de dispersió sol ser el doble de gran que la matriu de transmissió en cada dimensió. En resum, des de l'EM 3D fins a la simulació de matriu de transmissió/dispersió, cada capa de simulació presenta un compromís entre velocitat i precisió, i els dissenyadors trien el nivell de simulació adequat per a les seves necessitats específiques per optimitzar el procés de validació del disseny.
Tanmateix, basar-se en la simulació electromagnètica de determinats elements i utilitzar una matriu de dispersió/transferència per simular tot el PIC no garanteix un disseny completament correcte davant de la placa de flux. Per exemple, les longituds de camins mal calculades, les guies d'ona multimode que no suprimeixen eficaçment els modes d'ordre elevat o dues guies d'ones massa a prop l'una de l'altra provocant problemes d'acoblament inesperats és probable que no es detectin durant la simulació. Per tant, tot i que les eines de simulació avançades proporcionen potents capacitats de validació del disseny, encara requereix un alt grau de vigilància i una inspecció acurada per part del dissenyador, combinat amb experiència pràctica i coneixements tècnics, per garantir la precisió i la fiabilitat del disseny i reduir el risc de full de flux.
Una tècnica anomenada FDTD escassa permet que es realitzin simulacions FDTD 3D i 2D directament en un disseny PIC complet per validar el disseny. Tot i que és difícil que qualsevol eina de simulació electromagnètica simuli un PIC a gran escala, el FDTD escàs és capaç de simular una àrea local bastant gran. En el FDTD 3D tradicional, la simulació comença inicialitzant els sis components del camp electromagnètic dins d'un volum quantificat específic. A mesura que avança el temps, es calcula el nou component de camp del volum, i així successivament. Cada pas requereix molt de càlcul, de manera que triga molt de temps. En un FDTD 3D escàs, en comptes de calcular a cada pas en cada punt del volum, es manté una llista de components de camp que teòricament pot correspondre a un volum arbitràriament gran i es calcula només per a aquests components. En cada pas de temps, s'afegeixen punts adjacents als components del camp, mentre que els components del camp per sota d'un determinat llindar de potència s'esgoten. Per a algunes estructures, aquest càlcul pot ser diversos ordres de magnitud més ràpid que el FDTD 3D tradicional. Tanmateix, els FDTDS escàs no funcionen bé quan es tracten estructures dispersives perquè aquest camp de temps s'estén massa, donant lloc a llistes massa llargues i difícils de gestionar. La figura 1 mostra una captura de pantalla d'exemple d'una simulació FDTD 3D similar a un divisor de feix de polarització (PBS).
Figura 1: resultats de la simulació d'un FDTD dispers en 3D. (A) és una vista superior de l'estructura que s'està simulant, que és un acoblador direccional. (B) Mostra una captura de pantalla d'una simulació amb excitació quasi-TE. Els dos diagrames de dalt mostren la vista superior dels senyals quasi-TE i quasi-TM, i els dos diagrames següents mostren la vista de la secció transversal corresponent. (C) Mostra una captura de pantalla d'una simulació amb excitació quasi-TM.
Hora de publicació: 23-jul-2024