Ontwerp van een fotonische geïntegreerde schakeling

Ontwerp vanfotonischgeïntegreerde schakeling

Fotonische geïntegreerde schakelingen(PIC) worden vaak ontworpen met behulp van wiskundige scripts vanwege het belang van padlengte in interferometers of andere toepassingen die gevoelig zijn voor padlengte.FOTOwordt vervaardigd door meerdere lagen (meestal 10 tot 30) op een wafel aan te brengen, die zijn samengesteld uit vele veelhoekige vormen, vaak weergegeven in het GDSII-formaat. Voordat het bestand naar de fabrikant van de fotomaskers wordt gestuurd, is het sterk wenselijk om de PIC te kunnen simuleren om de juistheid van het ontwerp te verifiëren. De simulatie is verdeeld in meerdere niveaus: het laagste niveau is de driedimensionale elektromagnetische (EM) simulatie, waarbij de simulatie wordt uitgevoerd op subgolflengteniveau, hoewel de interacties tussen atomen in het materiaal op macroscopische schaal worden afgehandeld. Typische methoden zijn onder meer driedimensionale tijdsdomeinen met eindig verschil (3D FDTD) en eigenmode-expansie (EME). Deze methoden zijn het meest nauwkeurig, maar zijn onpraktisch voor de gehele PIC-simulatietijd. Het volgende niveau is 2,5-dimensionale EM-simulatie, zoals eindige differentiebundelvoortplanting (FD-BPM). Deze methoden zijn veel sneller, maar leveren enige nauwkeurigheid op en kunnen alleen paraxiale voortplanting verwerken en kunnen niet worden gebruikt om bijvoorbeeld resonatoren te simuleren. Het volgende niveau is 2D EM-simulatie, zoals 2D FDTD en 2D BPM. Deze zijn ook sneller, maar hebben een beperkte functionaliteit, omdat ze geen polarisatierotators kunnen simuleren. Een verder niveau is transmissie- en/of verstrooiingsmatrixsimulatie. Elke hoofdcomponent wordt gereduceerd tot een component met in- en uitgang, en de aangesloten golfgeleider wordt gereduceerd tot een faseverschuivings- en verzwakkingselement. Deze simulaties zijn extreem snel. Het uitgangssignaal wordt verkregen door de transmissiematrix te vermenigvuldigen met het ingangssignaal. De verstrooiingsmatrix (waarvan de elementen S-parameters worden genoemd) vermenigvuldigt de ingangs- en uitgangssignalen aan de ene kant om de ingangs- en uitgangssignalen aan de andere kant van de component te vinden. Kortom, de verstrooiingsmatrix bevat de reflectie binnen het element. De verstrooiingsmatrix is ​​gewoonlijk twee keer zo groot als de transmissiematrix in elke dimensie. Samenvattend: van 3D EM tot transmissie-/verstrooiingsmatrixsimulatie: elke simulatielaag biedt een afweging tussen snelheid en nauwkeurigheid, en ontwerpers kiezen het juiste simulatieniveau voor hun specifieke behoeften om het ontwerpvalidatieproces te optimaliseren.

Het vertrouwen op elektromagnetische simulatie van bepaalde elementen en het gebruik van een verstrooiings-/overdrachtsmatrix om de gehele PIC te simuleren, garandeert echter geen volledig correct ontwerp vóór de stroomplaat. Verkeerd berekende padlengtes, multimode-golfgeleiders die er niet in slagen modi van hoge orde effectief te onderdrukken, of twee golfgeleiders die te dicht bij elkaar staan, wat tot onverwachte koppelingsproblemen leidt, zullen tijdens de simulatie waarschijnlijk onopgemerkt blijven. Hoewel geavanceerde simulatietools krachtige ontwerpvalidatiemogelijkheden bieden, vereist het daarom nog steeds een hoge mate van waakzaamheid en zorgvuldige inspectie door de ontwerper, gecombineerd met praktische ervaring en technische kennis, om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het ontwerp te garanderen en het risico van het ontwerp te verminderen. stroomschema.

Met een techniek die sparse FDTD wordt genoemd, kunnen 3D- en 2D-FDTD-simulaties rechtstreeks op een compleet PIC-ontwerp worden uitgevoerd om het ontwerp te valideren. Hoewel het voor welk elektromagnetisch simulatiehulpmiddel dan ook moeilijk is om een ​​PIC op zeer grote schaal te simuleren, is de schaarse FDTD in staat een tamelijk groot lokaal gebied te simuleren. In traditionele 3D FDTD begint de simulatie met het initialiseren van de zes componenten van het elektromagnetische veld binnen een specifiek gekwantiseerd volume. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt de nieuwe veldcomponent in het volume berekend, enzovoort. Elke stap vergt veel rekenwerk en duurt dus lang. In spaarzame 3D-FDTD wordt, in plaats van bij elke stap op elk punt van het volume te berekenen, een lijst met veldcomponenten bijgehouden die theoretisch kunnen overeenkomen met een willekeurig groot volume en alleen voor die componenten kunnen worden berekend. Bij elke tijdstap worden punten die grenzen aan veldcomponenten toegevoegd, terwijl veldcomponenten onder een bepaalde vermogensdrempel worden verwijderd. Voor sommige structuren kan deze berekening verschillende ordes van grootte sneller zijn dan traditionele 3D FDTD. Schaarse FDTDS presteren echter niet goed bij het omgaan met dispersieve structuren, omdat dit tijdsveld zich te veel verspreidt, wat resulteert in lijsten die te lang en moeilijk te beheren zijn. Figuur 1 toont een voorbeeldscreenshot van een 3D FDTD-simulatie vergelijkbaar met een polarisatiebundelsplitter (PBS).

Figuur 1: Simulatieresultaten van 3D-sparse FDTD. (A) is een bovenaanzicht van de structuur die wordt gesimuleerd, een richtkoppeling. (B) Toont een screenshot van een simulatie met behulp van quasi-TE-excitatie. De twee diagrammen hierboven tonen het bovenaanzicht van de quasi-TE- en quasi-TM-signalen, en de twee diagrammen hieronder tonen de overeenkomstige dwarsdoorsnede. (C) Toont een screenshot van een simulatie met behulp van quasi-TM-excitatie.


Posttijd: 23 juli 2024