Дизайнфотоннийінтегральна схема
Фотонні інтегральні схеми(PIC) часто розробляються за допомогою математичних сценаріїв через важливість довжини шляху в інтерферометрах або інших програмах, які чутливі до довжини шляху.ЗОБЛвиготовляється шляхом нанесення кількох шарів (зазвичай від 10 до 30) на пластині, які складаються з багатьох багатокутних форм, часто представлених у форматі GDSII. Перш ніж відправити файл виробнику фотошаблону, дуже бажано мати можливість змоделювати PIC, щоб перевірити правильність дизайну. Моделювання ділиться 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 тривимірну скінченно-різницеву часову область (3D FDTD) і розширення власної моди (EME). Ці методи є найбільш точними, але непрактичними протягом усього часу моделювання PIC. Наступним рівнем є 2,5-вимірне електромагнітне моделювання, наприклад кінцево-різницеве поширення променя (FD-BPM). Ці методи є набагато швидшими, але жертвують деякою точністю та можуть обробляти лише параксіальне поширення та не можуть бути використані, наприклад, для моделювання резонаторів. Наступним рівнем є 2D EM моделювання, таке як 2D FDTD і 2D BPM. Вони також швидші, але мають обмежену функціональність, наприклад, вони не можуть симулювати поляризаційні ротатори. Наступним рівнем є моделювання матриці передачі та/або розсіювання. Кожен основний компонент зводиться до компонента з входом і виходом, а підключений хвилевід зводиться до елемента зсуву фази та ослаблення. Ці симуляції надзвичайно швидкі. Вихідний сигнал виходить множенням матриці передачі 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 відображення всередині елемента. Матриця розсіювання зазвичай вдвічі більша за матрицю пропускання в кожному вимірі. Підсумовуючи, від 3D EM до симуляції матриці передачі/розсіювання, кожен рівень моделювання представляє компроміс між швидкістю та точністю, і дизайнери вибирають правильний рівень моделювання для своїх конкретних потреб, щоб оптимізувати процес перевірки проекту.
Однак покладання на електромагнітне моделювання певних елементів і використання матриці розсіювання/перенесення для моделювання всього PIC не гарантує повністю правильну конструкцію перед пластиною потоку. Наприклад, неправильно розраховані довжини шляху, багатомодові хвилеводи, які не здатні ефективно придушувати моди високого порядку, або два хвилеводи, які розташовані надто близько один до одного, що призводить до неочікуваних проблем зв’язку, ймовірно, залишаться непоміченими під час моделювання. Таким чином, незважаючи на те, що вдосконалені інструменти моделювання забезпечують потужні можливості перевірки проекту, він все ще вимагає високого ступеня пильності та ретельної перевірки з боку проектувальника в поєднанні з практичним досвідом і технічними знаннями, щоб забезпечити точність і надійність проекту та зменшити ризик технологічна схема.
Техніка, що називається розрідженим FDTD, дозволяє виконувати моделювання 3D та 2D FDTD безпосередньо на повному проекті PIC для перевірки дизайну. Хоча будь-якому інструменту електромагнітного моделювання важко імітувати дуже великомасштабну PIC, розріджений FDTD здатний імітувати досить велику локальну область. У традиційному 3D FDTD симуляція починається з ініціалізації шести компонентів електромагнітного поля в певному квантованому обсязі. З плином часу обчислюється новий компонент поля в об’ємі тощо. Кожен крок вимагає багато розрахунків, тому займає багато часу. У розрідженому 3D FDTD замість обчислення на кожному кроці в кожній точці об’єму підтримується список компонентів поля, які теоретично можуть відповідати довільно великому об’єму та обчислюватися лише для цих компонентів. На кожному часовому кроці точки, суміжні з компонентами поля, додаються, тоді як компоненти поля нижче певного порогу потужності відкидаються. Для деяких структур це обчислення може бути на кілька порядків швидшим, ніж традиційний 3D FDTD. Однак розріджені FDTDS не працюють добре, коли мають справу з дисперсійними структурами, оскільки це поле часу надто розповсюджується, що призводить до надто довгих списків, якими важко керувати. На малюнку 1 показано приклад знімка екрана 3D моделювання FDTD, подібного до поляризаційного розділювача променя (PBS).
Рисунок 1: Результати моделювання за допомогою 3D розрідженого FDTD. (A) — вид зверху структури, що моделюється, яка є спрямованим зв’язувачем. (B) Показує знімок екрана симуляції з використанням квазі-TE збудження. Дві діаграми вище показують вид зверху квазі-TE та квазі-TM сигналів, а дві діаграми нижче показують відповідний вид у поперечному перерізі. (C) Показує знімок екрана симуляції з використанням квазі-TM збудження.
Час публікації: 23 липня 2024 р