Deseño defotónicoCircuíto integrado
Circuítos integrados fotónicos(PIC) están a miúdo deseñados coa axuda de guións matemáticos debido á importancia da lonxitude do camiño en interferómetros ou outras aplicacións sensibles á lonxitude do camiño.Picfabrícase picando varias capas (normalmente de 10 a 30) nunha oblea, que están compostas por moitas formas poligonais, a miúdo representadas no formato GDSII. Antes de enviar o ficheiro ao fabricante de fotomask, é moi desexable poder simular a PIC para verificar a corrección do deseño. A simulación divídese en varios niveis: o nivel máis baixo é a simulación electromagnética tridimensional (EM), onde a simulación se realiza a nivel de lonxitude de onda, aínda que as interaccións entre os átomos do material se manexan a escala macroscópica. Os métodos típicos inclúen un dominio de tempo finito tridimensional (3D FDTD) e a expansión de EigenMode (EME). Estes métodos son os máis precisos, pero non son prácticos para todo o tempo de simulación de PIC. O seguinte nivel é a simulación EM de 2,5 dimensións, como a propagación do feixe de diferenza finita (FD-BPM). Estes métodos son moito máis rápidos, pero sacrifican certa precisión e só poden xestionar a propagación paraxial e non se poden usar para simular os resoadores, por exemplo. O seguinte nivel é a simulación EM 2D, como 2D FDTD e 2D BPM. Tamén son máis rápidos, pero teñen unha funcionalidade limitada, como non poden simular os rotadores de polarización. Un nivel adicional é a simulación de matriz de transmisión e/ou dispersión. Cada compoñente principal redúcese a un compoñente con entrada e saída, e a guía de onda conectada redúcese a un cambio de fase e un elemento de atenuación. Estas simulacións son extremadamente rápidas. O sinal de saída obtense multiplicando a matriz de transmisión polo sinal de entrada. A matriz de dispersión (cuxos elementos se denominan s-parameters s) multiplica os sinais de entrada e saída por un lado para atopar os sinais de entrada e saída do outro lado do compoñente. Basicamente, a matriz de dispersión contén a reflexión dentro do elemento. A matriz de dispersión adoita ser o dobre de grande que a matriz de transmisión en cada dimensión. En resumo, de 3D EM á simulación de matriz de transmisión/dispersión, cada capa de simulación presenta un compromiso entre velocidade e precisión e os deseñadores elixen o nivel adecuado de simulación para as súas necesidades específicas para optimizar o proceso de validación do deseño.
Non obstante, confiar na simulación electromagnética de certos elementos e usar unha matriz de dispersión/transferencia para simular toda a PIC non garante un deseño completamente correcto diante da placa de fluxo. Por exemplo, as lonxitudes de ruta mal calculadas, guías de onda multimode que non conseguen suprimir eficazmente os modos de alta orde ou dúas guías de onda demasiado próximas entre si, provocando problemas de acoplamiento inesperados, é probable que non se detecten durante a simulación. Polo tanto, aínda que as ferramentas de simulación avanzadas proporcionan poderosas capacidades de validación do deseño, aínda require un alto grao de vixilancia e unha inspección minuciosa do deseñador, combinada con experiencia práctica e coñecementos técnicos, para garantir a precisión e fiabilidade do deseño e reducir o risco da folla de fluxo.
Unha técnica chamada escasa FDTD permite que as simulacións 3D e 2D FDTD se realicen directamente nun deseño completo de PIC para validar o deseño. Aínda que é difícil para calquera ferramenta de simulación electromagnética simular unha foto a gran escala, o escaso FDTD é capaz de simular unha área local bastante grande. No FDTD 3D tradicional, a simulación comeza inicializando os seis compoñentes do campo electromagnético nun volume cuantificado específico. A medida que avanza o tempo, calcúlase o novo compoñente de campo no volume, etc. Cada paso require moito cálculo, polo que leva moito tempo. En escasa 3D FDTD, en vez de calcular a cada paso en cada punto do volume, mantense unha lista de compoñentes de campo que teóricamente pode corresponder a un volume arbitrariamente grande e só se calcula para eses compoñentes. En cada paso, engádense puntos adxacentes aos compoñentes de campo, mentres que os compoñentes de campo por debaixo dun certo limiar de potencia caen. Para algunhas estruturas, este cálculo pode ser varias ordes de magnitude máis rápido que o FDTD 3D tradicional. Non obstante, as FDTD escasas non funcionan ben cando se trata de estruturas dispersivas porque este campo de tempo se espalla demasiado, obtendo listas demasiado longas e difíciles de xestionar. A figura 1 mostra unha captura de pantalla dunha simulación 3D FDTD similar a un divisor de feixe de polarización (PBS).
Figura 1: Resultados de simulación de FDTD escaso 3D. (A) é unha vista superior da estrutura que se está a simular, que é un acoplador direccional. (B) mostra unha captura de pantalla dunha simulación usando excitación case-te. Os dous diagramas anteriores mostran a vista superior dos sinais case-te e cuasi-TM, e os dous diagramas de abaixo mostran a vista transversal correspondente. (C) mostra unha captura de pantalla dunha simulación usando excitación case-TM.
Tempo de publicación: xul-23-2024