Design av fotonisk integrerad krets

Design avfotoniskaintegrerad krets

Fotoniska integrerade kretsar(PIC) utformas ofta med hjälp av matematiska skript på grund av vikten av väglängd i interferometrar eller andra applikationer som är känsliga för väglängd.BILDtillverkas genom att mönstra flera lager (vanligtvis 10 till 30) på en wafer, som är sammansatt av många polygonala former, ofta representerade i GDSII-format. Innan du skickar filen till fotomasktillverkaren är det starkt önskvärt att kunna simulera PIC för att verifiera riktigheten av designen. Simuleringen är uppdelad i flera nivåer: den lägsta nivån är den tredimensionella elektromagnetiska (EM) simuleringen, där simuleringen utförs på sub-våglängdsnivån, även om interaktionerna mellan atomer i materialet hanteras i den makroskopiska skalan. Typiska metoder inkluderar tredimensionell finit-difference Tidsdomän (3D FDTD) och egenmodsexpansion (EME). Dessa metoder är de mest exakta, men är opraktiska under hela PIC-simuleringstiden. Nästa nivå är 2,5-dimensionell EM-simulering, såsom finit-difference beam propagation (FD-BPM). Dessa metoder är mycket snabbare, men offrar viss noggrannhet och kan bara hantera paraxiell utbredning och kan inte användas för att simulera till exempel resonatorer. Nästa nivå är 2D EM-simulering, såsom 2D FDTD och 2D BPM. Dessa är också snabbare, men har begränsad funktionalitet, eftersom de inte kan simulera polarisationsrotatorer. En ytterligare nivå är överförings- och/eller spridningsmatrissimulering. Varje huvudkomponent reduceras till en komponent med ingång och utgång, och den anslutna vågledaren reduceras till ett fasförskjutnings- och dämpningselement. Dessa simuleringar är extremt snabba. Utsignalen erhålls genom att multiplicera transmissionsmatrisen med insignalen. Spridningsmatrisen (vars element kallas S-parametrar) multiplicerar in- och utsignalerna på ena sidan för att hitta in- och utsignalerna på den andra sidan av komponenten. I grund och botten innehåller spridningsmatrisen reflektionen inuti elementet. Spridningsmatrisen är vanligtvis dubbelt så stor som transmissionsmatrisen i varje dimension. Sammanfattningsvis, från 3D EM till överförings-/spridningsmatrissimulering, presenterar varje lager av simulering en avvägning mellan hastighet och noggrannhet, och designers väljer rätt nivå av simulering för sina specifika behov för att optimera designvalideringsprocessen.

Att förlita sig på elektromagnetisk simulering av vissa element och använda en spridnings-/överföringsmatris för att simulera hela PIC garanterar dock inte en helt korrekt design framför flödesplattan. Till exempel, felberäknade väglängder, multimodvågledare som inte effektivt undertrycker högordningsmoder, eller två vågledare som är för nära varandra vilket leder till oväntade kopplingsproblem kommer sannolikt att förbli oupptäckta under simulering. Därför, även om avancerade simuleringsverktyg ger kraftfulla konstruktionsvalideringsmöjligheter, kräver det fortfarande en hög grad av vaksamhet och noggrann inspektion av konstruktören, kombinerat med praktisk erfarenhet och teknisk kunskap, för att säkerställa konstruktionens noggrannhet och tillförlitlighet och minska risken för flödesschema.

En teknik som kallas sparse FDTD gör att 3D och 2D FDTD-simuleringar kan utföras direkt på en komplett PIC-design för att validera designen. Även om det är svårt för alla elektromagnetiska simuleringsverktyg att simulera en mycket storskalig PIC, kan den glesa FDTD simulera ett ganska stort lokalt område. I traditionell 3D FDTD börjar simuleringen med att initiera de sex komponenterna i det elektromagnetiska fältet inom en specifik kvantiserad volym. Allt eftersom tiden går beräknas den nya fältkomponenten i volymen, och så vidare. Varje steg kräver mycket beräkning, så det tar lång tid. I gles 3D FDTD, istället för att beräkna vid varje steg vid varje punkt i volymen, upprätthålls en lista över fältkomponenter som teoretiskt kan motsvara en godtyckligt stor volym och beräknas endast för dessa komponenter. Vid varje tidssteg läggs punkter intill fältkomponenter, medan fältkomponenter under en viss effekttröskel sjunker. För vissa strukturer kan denna beräkning vara flera storleksordningar snabbare än traditionell 3D FDTD. Men glesa FDTDS fungerar inte bra när de hanterar dispersiva strukturer eftersom detta tidsfält sprids för mycket, vilket resulterar i listor som är för långa och svåra att hantera. Figur 1 visar ett exempel på en 3D FDTD-simulering som liknar en polarisationsstråledelare (PBS).

Figur 1: Simuleringsresultat från 3D-gles FDTD. (A) är en vy ovanifrån av strukturen som simuleras, som är en riktningskopplare. (B) Visar en skärmdump av en simulering med kvasi-TE-excitering. De två diagrammen ovan visar toppvyn av kvasi-TE- och kvasi-TM-signalerna, och de två diagrammen nedan visar motsvarande tvärsnittsvy. (C) Visar en skärmdump av en simulering med kvasi-TM-excitering.


Posttid: 2024-jul-23