Дизајн на фотонско интегрално коло

Дизајн нафотонскиинтегрирано коло

Фотонски интегрирани кола(PIC) често се дизајнирани со помош на математички скрипти поради важноста на должината на патеката во интерферометри или други апликации кои се чувствителни на должината на патеката.ПИКсе произведува со тапкање на повеќе слоеви (обично од 10 до 30) на нафора, кои се составени од многу полигонални форми, често претставени во форматот GDSII. Пред да ја испратите датотеката до производителот на фотомаска, многу е пожелно да може да се симулира PIC за да се потврди исправноста на дизајнот. Симулацијата е поделена на повеќе нивоа: најниското ниво е тридимензионалната електромагнетна (ЕМ) симулација, каде што симулацијата се изведува на ниво на подбранова должина, иако интеракциите помеѓу атомите во материјалот се обработуваат на макроскопска скала. Типичните методи вклучуваат тридимензионален временски домен со конечни разлики (3D FDTD) и експанзија на сопствен режим (EME). Овие методи се најточни, но се непрактични за целото време на симулација на PIC. Следното ниво е 2,5-димензионална EM симулација, како што е ширење на зрак со конечни разлики (FD-BPM). Овие методи се многу побрзи, но жртвуваат одредена точност и можат да се справат само со параксиалното ширење и не можат да се користат за симулирање на резонатори, на пример. Следното ниво е 2D EM симулација, како што се 2D FDTD и 2D BPM. Овие се исто така побрзи, но имаат ограничена функционалност, како што не можат да симулираат поларизациски ротатори. Понатамошно ниво е симулација на матрица на пренос и/или расејување. Секоја главна компонента е сведена на компонента со влез и излез, а поврзаниот брановод се сведува на фазно поместување и елемент за слабеење. Овие симулации се исклучително брзи. Излезниот сигнал се добива со множење на преносната матрица со влезниот сигнал. Матрицата на расејување (чии елементи се нарекуваат S-параметри) ги множи влезните и излезните сигнали од едната страна за да ги пронајде влезните и излезните сигнали од другата страна на компонентата. Во основа, матрицата на расејување го содржи одразот внатре во елементот. Матрицата на расејување е обично двојно поголема од преносната матрица во секоја димензија. Накратко, од 3D EM до симулација на матрица за пренос/растурање, секој слој на симулација претставува компромис помеѓу брзината и точноста, а дизајнерите го избираат вистинското ниво на симулација за нивните специфични потреби за да го оптимизираат процесот на валидација на дизајнот.

Сепак, потпирањето на електромагнетна симулација на одредени елементи и користењето на матрица за расејување/пренос за да се симулира целиот PIC не гарантира целосно правилен дизајн пред плочата за проток. На пример, погрешно пресметаните должини на патеката, мултимодни брановоди кои не успеваат ефикасно да ги потиснат режимите од висок ред, или два брановода кои се премногу блиску еден до друг што доведува до неочекувани проблеми со спојувањето, најверојатно ќе останат неоткриени за време на симулацијата. Затоа, иако напредните алатки за симулација обезбедуваат моќни способности за валидација на дизајнот, сепак бара висок степен на будност и внимателна проверка од страна на дизајнерот, во комбинација со практично искуство и техничко знаење, за да се обезбеди точноста и доверливоста на дизајнот и да се намали ризикот од проточен лист.

Техниката наречена sparse FDTD овозможува 3D и 2D FDTD симулации да се изведуваат директно на комплетен дизајн на PIC за да се потврди дизајнот. Иако е тешко за која било алатка за електромагнетна симулација да симулира PIC од многу големи размери, ретката FDTD може да симулира прилично голема локална област. Во традиционалниот 3D FDTD, симулацијата започнува со иницијализирање на шестте компоненти на електромагнетното поле во специфичен квантизиран волумен. Како што одминува времето, се пресметува новата компонента на полето во волуменот итн. Секој чекор бара многу пресметка, па затоа е потребно многу време. Во редок 3D FDTD, наместо да се пресметува на секој чекор во секоја точка од волуменот, се одржува листа на компоненти на полето што теоретски може да одговара на произволно голем волумен и да се пресметува само за тие компоненти. Во секој временски чекор, точките во непосредна близина на компонентите на теренот се додаваат, додека компонентите на теренот под одреден праг на моќност се отфрлаат. За некои структури, оваа пресметка може да биде за неколку реда на големина побрзо од традиционалните 3D FDTD. Сепак, ретките FDTDS не функционираат добро кога се занимаваат со дисперзивни структури бидејќи ова временско поле се шири премногу, што резултира со списоци кои се премногу долги и тешки за управување. Слика 1 покажува примерок од екранот на 3D FDTD симулација слична на разделувач на поларизациски зрак (PBS).

Слика 1: Резултати од симулацијата од 3D редок FDTD. (А) е горниот приказ на структурата што се симулира, што е насочен спојувач. (Б) Прикажува слика од екранот на симулација со користење на квази-ТЕ возбудување. Двата дијаграми погоре го прикажуваат горниот приказ на квази-TE и квази-TM сигналите, а двата дијаграми подолу го прикажуваат соодветниот приказ на пресек. (C) Прикажува скриншот од симулација користејќи квази-TM возбудување.


Време на објавување: 23 јули 2024 година