Дизајн нафотонскиинтегрирано коло
Фотонски интегрирани кола(PIC) често се дизајнирани со помош на математички скрипти поради важноста на должината на патеката кај интерферометрите или други апликации кои се чувствителни на должината на патеката.СИМсе произведува со цртање на повеќе слоеви (обично од 10 до 30) на плочка, кои се составени од многу полигонални форми, често претставени во GDSII формат. Пред да се испрати датотеката до производителот на фотомаската, многу е пожелно да се може да се симулира PIC за да се потврди точноста на дизајнот. Симулацијата е поделена на повеќе нивоа: најниското ниво е тридимензионалната електромагнетна (EM) симулација, каде што симулацијата се изведува на ниво на под-бранова должина, иако интеракциите помеѓу атомите во материјалот се обработуваат на макроскопска скала. Типичните методи вклучуваат тридимензионална временски домен со конечни разлики (3D FDTD) и експанзија на сопствен режим (EME). Овие методи се најточни, но се непрактични за целото време на симулацијата на PIC. Следното ниво е 2,5-димензионална EM симулација, како што е ширењето на зракот со конечни разлики (FD-BPM). Овие методи се многу побрзи, но жртвуваат дел од точноста и можат да се справат само со параксијално 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 на пример не можат да симулираат ротатори на поларизација. 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 е сведен на елемент за фазно поместување и слабеење. Овие симулации се екстремно брзи. Излезниот сигнал се добива со множење на матрицата на пренос 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 ја содржи рефлексијата во елементот. Матрицата на расејување е обично двојно поголема од матрицата на пренос во секоја димензија. Накратко, од 3D EM до симулација на матрица на пренос/расејување, 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 симулирање на целиот PIC не гарантира целосно точен дизајн пред проточната плоча. На пример, погрешно пресметаните должини на патеките, мултимодните брановоди кои не успеваат ефикасно да ги потиснат модовите од висок ред или два брановоди кои се премногу блиску еден до друг, што доведува до неочекувани проблеми со спојувањето, веројатно ќе останат неоткриени за време на симулацијата. Затоа, иако напредните алатки за симулација обезбедуваат моќни можности за валидација на дизајнот, сепак е потребен 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 сигурноста на дизајнот и да се намали ризикот од проточната плоча.
Техника наречена ретка FDTD овозможува 3D и 2D FDTD симулации да се извршуваат директно на комплетен PIC дизајн за да се потврди дизајнот. Иако е тешко за која било алатка за електромагнетна симулација да симулира PIC со многу голем обем, ретка FDTD е способна да симулира прилично голема локална област. Во традиционалниот 3D FDTD, симулацијата започнува со иницијализирање на шесте компоненти на електромагнетното поле во рамките на специфичен квантизиран волумен. Со текот на времето, се пресметува новата компонента на полето во волуменот и така натаму. Секој чекор бара многу пресметки, па затоа трае долго време. Во ретка 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, се додаваат точки во непосредна близина на компонентите на полето, додека компонентите на полето под одреден праг на моќност се отфрлаат. За некои структури, ова пресметување може да биде неколку редови на големина побрзо од традиционалниот 3D FDTD. Сепак, ретките FDTDS не функционираат добро кога се работи со дисперзивни структури бидејќи ова временско поле се шири премногу, што резултира со листи кои се премногу долги и тешки за управување. Слика 1 прикажува пример за снимка од екранот на 3D FDTD симулација слична на разделувач на поларизациски зрак (PBS).
Слика 1: Резултати од симулацијата од 3D ретка FDTD. (A) е поглед одозгора на структурата што се симулира, која е насочен спојувач. (B) Прикажува снимка од екранот од симулација со употреба на квази-TE возбудување. Двата дијаграма погоре го прикажуваат погледот одозгора на квази-TE и квази-TM сигналите, а двата дијаграма подолу го прикажуваат соодветниот пресек. (C) Прикажува снимка од екранот од симулација со употреба на квази-TM возбудување.
Време на објавување: 23 јули 2024 година