Дизайнфотоннийінтегральна схема
Фотонні інтегральні схеми(PIC) часто розробляються за допомогою математичних скриптів через важливість довжини шляху в інтерферометрах або інших застосуваннях, чутливих до довжини шляху.ПІКвиготовляється шляхом нанесення кількох шарів (зазвичай від 10 до 30) на пластину, які складаються з багатьох полігональних форм, часто представлених у форматі GDSII. Перед надсиланням файлу виробнику фотошаблону дуже бажано мати можливість моделювати PIC, щоб перевірити правильність конструкції. Моделювання поділяється на кілька рівнів: найнижчий рівень - це тривимірне електромагнітне (ЕМ) моделювання, де моделювання виконується на субхвильовому рівні, хоча взаємодії між атомами в матеріалі обробляються в макроскопічному масштабі. Типові методи включають тривимірне моделювання в часовій області за методом скінченних різниць (3D FDTD) та розкладання за власними модами (EME). Ці методи є найточнішими, але непрактичні для всього часу моделювання PIC. Наступний рівень - це 2,5-вимірне ЕМ моделювання, таке як моделювання поширення променя за методом скінченних різниць (FD-BPM). Ці методи набагато швидші, але жертвують певною точністю та можуть обробляти лише параксіальне поширення і не можуть бути використані для моделювання резонаторів, наприклад. Наступний рівень – це 2D EM-моделювання, таке як 2D FDTD та 2D BPM. Вони також швидші, але мають обмежену функціональність, наприклад, не можуть моделювати ротатори поляризації. Наступний рівень – це моделювання матриці пропускання та/або розсіювання. Кожен основний компонент зводиться до компонента з входом та виходом, а підключений хвилевід – до елемента фазового зсуву та ослаблення. Ці моделювання надзвичайно швидкі. Вихідний сигнал отримується шляхом множення матриці пропускання на вхідний сигнал. Матриця розсіювання (елементи якої називаються S-параметрами) множить вхідні та вихідні сигнали з одного боку, щоб знайти вхідні та вихідні сигнали з іншого боку компонента. По суті, матриця розсіювання містить відбиття всередині елемента. Матриця розсіювання зазвичай вдвічі більша за матрицю пропускання в кожному вимірі. Підсумовуючи, від 3D EM до моделювання матриці пропускання/розсіювання, кожен рівень моделювання представляє компроміс між швидкістю та точністю, і розробники вибирають правильний рівень моделювання для своїх конкретних потреб, щоб оптимізувати процес перевірки проекту.
Однак, спираючись на електромагнітне моделювання певних елементів та використовуючи матрицю розсіювання/переносу для моделювання всього PIC, ви не гарантуєте повністю правильного проектування перед проточною пластиною. Наприклад, неправильно розраховані довжини шляху, багатомодові хвилеводи, які не можуть ефективно придушити моди високого порядку, або два хвилеводи, розташовані занадто близько один до одного, що призводить до неочікуваних проблем зв'язку, ймовірно, залишаться непоміченими під час моделювання. Тому, хоча передові засоби моделювання забезпечують потужні можливості перевірки проекту, вони все ще вимагають високого ступеня пильності та ретельного огляду з боку проектувальника в поєднанні з практичним досвідом та технічними знаннями, щоб забезпечити точність і надійність проекту та зменшити ризик пошкодження технологічної схеми.
Метод, який називається розрідженим FDTD, дозволяє виконувати 3D та 2D FDTD-моделювання безпосередньо на повній конструкції PIC для перевірки її якості. Хоча будь-якому інструменту електромагнітного моделювання важко моделювати PIC дуже великого масштабу, розріджений FDTD здатний моделювати досить велику локальну область. У традиційному 3D FDTD моделювання починається з ініціалізації шести компонентів електромагнітного поля в межах певного квантованого об'єму. З плином часу обчислюється новий компонент поля в об'ємі тощо. Кожен крок вимагає багато обчислень, тому це займає багато часу. У розрідженому 3D FDTD замість обчислень на кожному кроці в кожній точці об'єму підтримується список компонентів поля, які теоретично можуть відповідати як завгодно великому об'єму та обчислюватися лише для цих компонентів. На кожному кроці часу додаються точки, що прилягають до компонентів поля, тоді як компоненти поля нижче певного порогу потужності відкидаються. Для деяких структур це обчислення може бути на кілька порядків швидшим, ніж у традиційному 3D FDTD. Однак, розріджені FDTDS погано працюють з дисперсійними структурами, оскільки це часове поле занадто розтікається, що призводить до занадто довгих списків, якими важко керувати. На рисунку 1 показано приклад скріншоту 3D FDTD-моделювання, подібного до поляризаційного розщеплювача променя (PBS).
Рисунок 1: Результати моделювання за допомогою 3D розрідженого FDTD. (A) – це вигляд зверху структури, що моделюється, тобто спрямованого відгалужувача. (B) Показано скріншот моделювання з використанням квазі-TE-збудження. Дві діаграми вище показують вигляд зверху квазі-TE та квазі-TM-сигналів, а дві діаграми нижче показують відповідний поперечний переріз. (C) Показано скріншот моделювання з використанням квазі-TM-збудження.
Час публікації: 23 липня 2024 р.