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 het aanbrengen van meerdere lagen (meestal 10 tot 30) op een wafer, die bestaan uit vele polygonale vormen, vaak weergegeven in het GDSII-formaat. Voordat het bestand naar de fabrikant van het fotomasker wordt gestuurd, is het zeer wenselijk om de PIC te kunnen simuleren om de correctheid van het ontwerp te verifiëren. De simulatie is onderverdeeld 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 verwerkt. Typische methoden zijn onder andere driedimensionale eindige-verschillen-tijddomein (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-verschillen-bundelvoortplanting (FD-BPM). Deze methoden zijn veel sneller, maar offeren enige nauwkeurigheid op en kunnen alleen paraxiale voortplanting aan en kunnen bijvoorbeeld niet worden gebruikt om 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, zoals het niet simuleren van polarisatierotators. Een volgend niveau is transmissie- en/of verstrooiingsmatrixsimulatie. Elke hoofdcomponent wordt gereduceerd tot een component met input en output, en de aangesloten golfgeleider wordt gereduceerd tot een faseverschuivings- en verzwakkingselement. Deze simulaties zijn extreem snel. Het outputsignaal wordt verkregen door de transmissiematrix te vermenigvuldigen met het inputsignaal. De verstrooiingsmatrix (waarvan de elementen S-parameters worden genoemd) vermenigvuldigt de input- en outputsignalen aan de ene kant om de input- en outputsignalen aan de andere kant van de component te vinden. In principe bevat de verstrooiingsmatrix de reflectie in het element. De verstrooiingsmatrix is meestal twee keer zo groot als de transmissiematrix in elke dimensie. Kortom, 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 gebruik van elektromagnetische simulatie van bepaalde elementen en het gebruik van een verstrooiings-/transfermatrix om de gehele PIC te simuleren, garandeert echter geen volledig correct ontwerp vóór de stromingsplaat. Zo zullen verkeerd berekende padlengtes, multimode golfgeleiders die hogere-orde modi niet effectief onderdrukken, of twee golfgeleiders die te dicht bij elkaar liggen en zo onverwachte koppelingsproblemen veroorzaken, waarschijnlijk onopgemerkt blijven tijdens de simulatie. Hoewel geavanceerde simulatietools krachtige mogelijkheden bieden voor ontwerpvalidatie, 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 op een onregelmatige stroming te beperken.
Een techniek genaamd sparse FDTD maakt het mogelijk om 3D- en 2D-FDTD-simulaties direct op een compleet PIC-ontwerp uit te voeren om het ontwerp te valideren. Hoewel het voor elke elektromagnetische simulatietool moeilijk is om een PIC op zeer grote schaal te simuleren, is de sparse FDTD wel in staat om een vrij groot lokaal gebied te simuleren. Bij 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 vordert, wordt de nieuwe veldcomponent in het volume berekend, enzovoort. Elke stap vereist veel berekeningen, waardoor het lang duurt. Bij sparse 3D FDTD wordt, in plaats van bij elke stap op elk punt van het volume te berekenen, een lijst met veldcomponenten bijgehouden die theoretisch kan overeenkomen met een willekeurig groot volume en alleen voor die componenten kan worden berekend. Bij elke tijdstap worden punten grenzend aan veldcomponenten toegevoegd, terwijl veldcomponenten onder een bepaalde vermogensdrempel worden verwijderd. Voor sommige structuren kan deze berekening enkele ordes van grootte sneller zijn dan bij traditionele 3D FDTD. Sparse FDTD's presteren echter niet goed bij dispersieve structuren, omdat het tijdsveld zich te veel verspreidt, wat resulteert in lijsten die te lang en moeilijk te beheren zijn. Figuur 1 toont een voorbeeld van een 3D FDTD-simulatie die vergelijkbaar is met een polarisatiebundelsplitter (PBS).
Figuur 1: Simulatieresultaten van 3D sparse FDTD. (A) toont een bovenaanzicht van de gesimuleerde structuur, een richtkoppelaar. (B) Toont een screenshot van een simulatie met 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 bijbehorende dwarsdoorsnede. (C) Toont een screenshot van een simulatie met quasi-TM-excitatie.
Plaatsingstijd: 23-07-2024