Fotonisen integroidun piirin suunnittelu

Suunnittelufotoninenintegroitu piiri

Fotoniset integroidut piirit(PIC) suunnitellaan usein matemaattisten komentosarjojen avulla, koska polun pituus on tärkeä interferometreissä tai muissa sovelluksissa, jotka ovat herkkiä polun pituudelle.KUVAvalmistetaan kuvioimalla useita kerroksia (tyypillisesti 10-30) kiekolle, jotka koostuvat monista monikulmiomuodoista, jotka esitetään usein GDSII-muodossa. Ennen tiedoston lähettämistä valokuvamaskin valmistajalle on erittäin toivottavaa pystyä simuloimaan PIC-koodi suunnitelman oikeellisuuden varmistamiseksi. Simulaatio on jaettu useisiin tasoihin: alin taso on kolmiulotteinen sähkömagneettinen (EM) simulaatio, jossa simulaatio suoritetaan aliaallonpituuden tasolla, vaikka materiaalin atomien väliset vuorovaikutukset käsitellään makroskooppisessa mittakaavassa. Tyypillisiä menetelmiä ovat kolmiulotteinen äärellisen eron aika-alue (3D FDTD) ja ominaismuotolaajennus (EME). Nämä menetelmät ovat tarkimpia, mutta epäkäytännöllisiä koko PIC-simulaatioajan. Seuraava taso on 2,5-ulotteinen EM-simulaatio, kuten äärellisen eron säteen eteneminen (FD-BPM). Nämä menetelmät ovat paljon nopeampia, mutta uhraavat jonkin verran tarkkuutta ja pystyvät käsittelemään vain paraksiaalista etenemistä, eikä niitä voida käyttää esimerkiksi resonaattoreiden simulointiin. Seuraava taso on 2D EM -simulaatio, kuten 2D FDTD ja 2D BPM. Nämä ovat myös nopeampia, mutta niillä on rajoitettu toiminnallisuus, koska ne eivät voi simuloida polarisaatiorotaattoreita. Toinen taso on lähetys- ja/tai sirontamatriisisimulaatio. Jokainen pääkomponentti pelkistetään komponentiksi, jossa on tulo ja lähtö, ja kytketty aaltoputki pelkistetään vaihesiirto- ja vaimennuselementiksi. Nämä simulaatiot ovat erittäin nopeita. Lähtösignaali saadaan kertomalla lähetysmatriisi tulosignaalilla. Sirontamatriisi (jonka elementtejä kutsutaan S-parametreiksi) kertoo tulo- ja lähtösignaalit toiselta puolelta löytääkseen tulo- ja lähtösignaalit komponentin toiselta puolelta. Periaatteessa sirontamatriisi sisältää heijastuksen elementin sisällä. Sirontamatriisi on yleensä kaksi kertaa niin suuri kuin lähetysmatriisi kussakin ulottuvuudessa. Yhteenvetona voidaan todeta, että 3D EM:stä lähetys/sirontamatriisisimulaatioon, jokainen simulaatiokerros tarjoaa kompromissin nopeuden ja tarkkuuden välillä, ja suunnittelijat valitsevat oikean simulointitason erityistarpeisiinsa optimoidakseen suunnittelun validointiprosessin.

Tiettyjen elementtien sähkömagneettiseen simulointiin luottaminen ja sironta-/siirtomatriisin käyttö koko PIC:n simuloimiseen ei kuitenkaan takaa täysin oikeaa suunnittelua virtauslevyn edessä. Esimerkiksi väärin lasketut polunpituudet, monimuotoiset aaltoputket, jotka eivät pysty tehokkaasti vaimentamaan korkealuokkaisia ​​tiloja, tai kaksi aaltoputkea, jotka ovat liian lähellä toisiaan, mikä johtaa odottamattomiin kytkentäongelmiin, jäävät todennäköisesti havaitsematta simulaation aikana. Vaikka kehittyneet simulointityökalut tarjoavatkin tehokkaat suunnittelun validointiominaisuudet, se vaatii silti suurta valppautta ja huolellista tarkastusta suunnittelijalta sekä käytännön kokemusta ja teknistä tietämystä, jotta voidaan varmistaa suunnittelun tarkkuus ja luotettavuus ja vähentää suunnittelun riskiä. virtausarkki.

Harvaksi FDTD:ksi kutsuttu tekniikka mahdollistaa 3D- ja 2D-FDTD-simulaatioiden suorittamisen suoraan täydelliselle PIC-suunnitelmalle suunnittelun validoimiseksi. Vaikka minkä tahansa sähkömagneettisen simulointityökalun on vaikea simuloida erittäin suuren mittakaavan PIC:tä, harva FDTD pystyy simuloimaan melko laajaa paikallista aluetta. Perinteisessä 3D FDTD:ssä simulointi alkaa alustamalla sähkömagneettisen kentän kuusi komponenttia tietyssä kvantisoidussa tilavuudessa. Ajan edetessä tilavuuden uusi kenttäkomponentti lasketaan ja niin edelleen. Jokainen vaihe vaatii paljon laskelmia, joten se vie kauan. Harvassa 3D FDTD:ssä sen sijaan, että laskettaisiin jokaisessa vaiheessa jokaisessa tilavuuden pisteessä, ylläpidetään luetteloa kenttäkomponenteista, jotka voivat teoreettisesti vastata mielivaltaisen suurta määrää ja jotka voidaan laskea vain näille komponenteille. Jokaisessa aikavaiheessa kenttäkomponenttien vieressä olevat pisteet lisätään, kun taas tietyn tehokynnyksen alapuolella olevat kenttäkomponentit pudotetaan. Joillekin rakenteille tämä laskenta voi olla useita suuruusluokkia nopeampi kuin perinteinen 3D FDTD. Harva FDTDS ei kuitenkaan toimi hyvin hajautettujen rakenteiden käsittelyssä, koska tämä aikakenttä leviää liikaa, mikä johtaa liian pitkiin ja vaikeasti hallittaviin listoihin. Kuvassa 1 on esimerkkikuvakaappaus 3D-FDTD-simulaatiosta, joka on samanlainen kuin polarisaatiosäteen jakaja (PBS).

Kuva 1: Simulaatiotulokset 3D harvasta FDTD:stä. (A) on ylhäältä katsottuna simuloitava rakenne, joka on suuntakytkin. (B) Näyttää kuvakaappauksen simulaatiosta, jossa käytetään kvasi-TE-viritystä. Yllä olevat kaksi kaaviota näyttävät ylhäältä katsottuna kvasi-TE- ja kvasi-TM-signaalit, ja kaksi alla olevaa kaaviota vastaavat poikkileikkausnäkymää. (C) Näyttää kuvakaappauksen simulaatiosta, jossa käytetään kvasi-TM-herätystä.


Postitusaika: 23.7.2024