Deseño defotónicocircuíto integrado
Circuítos integrados fotónicos(PIC) deseñanse a miúdo coa axuda de scripts matemáticos debido á importancia da lonxitude da ruta en interferómetros ou outras aplicacións que son sensibles á lonxitude da ruta.PICfabrícase mediante a aplicación de patróns a 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 da fotomáscara, é moi desexable poder simular o 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 sublonxitude de onda, aínda que as interaccións entre os átomos do material se manexan a escala macroscópica. Os métodos típicos inclúen o dominio do tempo de diferenzas finitas tridimensionais (3D FDTD) e a expansión de modo propio (EME). Estes métodos son os máis precisos, pero non son prácticos para todo o tempo de simulación PIC. O seguinte nivel é a simulación EM 2,5-dimensional, como a propagación de feixe de diferenzas finitas (FD-BPM). Estes métodos son moito máis rápidos, pero sacrifican algo de precisión e só poden manexar a propagación paraxial e non se poden usar para simular resonadores, por exemplo. O seguinte nivel é a simulación EM 2D, como a FDTD 2D e a BPM 2D. Estas tamén son máis rápidas, pero teñen unha funcionalidade limitada, xa que non poden simular rotadores de polarización. Un nivel adicional é a simulación da 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 elemento de cambio de fase e 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 chaman parámetros S) multiplica os sinais de entrada e saída dun 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, desde a EM 3D ata a simulación da matriz de transmisión/dispersión, cada capa de simulación presenta un compromiso entre velocidade e precisión, e os deseñadores escollen o nivel de simulación axeitado 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 todo o PIC non garante un deseño completamente correcto diante da placa de fluxo. Por exemplo, é probable que as lonxitudes de percorrido calculadas incorrectamente, as guías de onda multimodo que non suprimen eficazmente os modos de orde superior ou dúas guías de onda que están demasiado preto entre si que provocan problemas de acoplamento inesperados pasen desapercibidas durante a simulación. Polo tanto, aínda que as ferramentas de simulación avanzadas ofrecen potentes capacidades de validación do deseño, aínda requiren un alto grao de vixilancia e unha inspección coidadosa por parte do deseñador, combinada con experiencia práctica e coñecementos técnicos, para garantir a precisión e a fiabilidade do deseño e reducir o risco da folla de fluxo.
Unha técnica chamada FDTD dispersa permite realizar simulacións FDTD 3D e 2D directamente nun deseño PIC completo para validar o deseño. Aínda que é difícil para calquera ferramenta de simulación electromagnética simular un PIC a moi grande escala, a FDTD dispersa é capaz de simular unha área local bastante grande. Na FDTD 3D tradicional, a simulación comeza inicializando os seis compoñentes do campo electromagnético dentro dun volume cuantizado específico. A medida que avanza o tempo, calcúlase o novo compoñente de campo no volume e así sucesivamente. Cada paso require moitos cálculos, polo que leva moito tempo. Na FDTD 3D dispersa, en lugar de calcular en cada paso en cada punto do volume, mantense unha lista de compoñentes de campo que teoricamente poden corresponder a un volume arbitrariamente grande e calcularse só para eses compoñentes. En cada paso de tempo, engádense puntos adxacentes aos compoñentes de campo, mentres que os compoñentes de campo por debaixo dun certo limiar de potencia se eliminan. Para algunhas estruturas, este cálculo pode ser varias ordes de magnitude máis rápido que a FDTD 3D tradicional. Non obstante, as FDTDS dispersas non funcionan ben cando se tratan con estruturas dispersivas porque este campo de tempo se espalla demasiado, o que resulta en listas demasiado longas e difíciles de xestionar. A figura 1 mostra unha captura de pantalla de exemplo dunha simulación FDTD en 3D similar a un divisor de feixe de polarización (PBS).
Figura 1: Resultados da simulación dunha FDTD dispersa en 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 cuasi-TE. Os dous diagramas de arriba mostran a vista superior dos sinais cuasi-TE e cuasi-TM, e os dous diagramas de abaixo mostran a vista en sección transversal correspondente. (C) Mostra unha captura de pantalla dunha simulación usando excitación cuasi-TM.
Data de publicación: 23 de xullo de 2024