Deseño de circuíto integrado fotónico

Deseño defotónicacircuíto integrado

Circuítos integrados fotónicos(PIC) adoitan deseñarse coa axuda de scripts matemáticos debido á importancia da lonxitude do camiño en interferómetros ou outras aplicacións que son sensibles á lonxitude do camiño.PICfábricase tapeando varias capas (normalmente de 10 a 30) nunha oblea, que están compostas por moitas formas poligonais, moitas veces 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 múltiples niveis: o nivel máis baixo é a simulación electromagnética tridimensional (EM), onde a simulación realízase a nivel de sublongitude de onda, aínda que as interaccións entre átomos do material se manexan a escala macroscópica. Os métodos típicos inclúen o dominio do tempo de diferenzas finitas tridimensionais (FDTD 3D) e a expansión en modo propio (EME). Estes métodos son os máis precisos, pero non son prácticos durante todo o tempo de simulación PIC. O seguinte nivel é a simulación EM de 2,5 dimensións, como a propagación de feixe de diferenzas finitas (FD-BPM). Estes métodos son moito máis rápidos, pero sacrifican certa precisión e só poden manexar a propagación paraxial e non se poden usar para simular resonadores, por exemplo. O seguinte nivel é a simulación 2D EM, como 2D FDTD e 2D BPM. Estes tamén son máis rápidos, pero teñen unha funcionalidade limitada, xa que non poden simular rotadores de polarización. Outro nivel 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 ondas conectada redúcese a un elemento de desfase e atenuación. Estas simulacións son moi rápidas. O sinal de saída obtense multiplicando a matriz de transmisión polo sinal de entrada. A matriz de dispersión (cuxos elementos se denominan 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 no interior do elemento. A matriz de dispersión adoita ser o dobre 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 equilibrio entre velocidade e precisión, e os deseñadores elixen 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 utilizar unha matriz de dispersión/transferencia para simular todo o PIC non garante un deseño completamente correcto diante da placa de fluxo. Por exemplo, as lonxitudes de camiños calculadas incorrectamente, as guías de ondas multimodo que non logran suprimir de forma efectiva os modos de orde superior ou dúas guías de ondas que están demasiado preto entre si que provocan problemas de acoplamento 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 coidadosa por parte do deseñador, combinado coa experiencia práctica e os coñecementos técnicos, para garantir a precisión e fiabilidade do deseño e reducir o risco de folla de fluxo.

Unha técnica chamada FDTD escasa permite que as simulacións FDTD 3D e 2D se realicen directamente nun deseño PIC completo para validar o deseño. Aínda que é difícil para calquera ferramenta de simulación electromagnética simular un PIC a gran escala, a FDTD escasa é capaz de simular unha área local bastante grande. No 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, etc. Cada paso require moito cálculo, polo que leva moito tempo. En FDTD 3D escasa, 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 do campo, mentres que os compoñentes do campo por debaixo dun determinado limiar de potencia son eliminados. Para algunhas estruturas, este cálculo pode ser varias ordes de magnitude máis rápido que o FDTD 3D tradicional. Non obstante, os FDTDS escasos non funcionan ben cando se trata de 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 3D semellante a un divisor de feixe de polarización (PBS).

Figura 1: resultados da 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 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.


Hora de publicación: 23-Xul-2024