Ontwerpen vanfotonischgeïntegreerd circuit
Fotonische geïntegreerde circuits(PIC) zijn vaak ontworpen met behulp van wiskundige scripts vanwege het belang van padlengte in interferometers of andere toepassingen die gevoelig zijn voor padlengte.Picwordt vervaardigd door meerdere lagen (meestal 10 tot 30) op een wafel, die zijn samengesteld uit veel veelhoekige vormen, vaak weergegeven in het GDSII -formaat. Voordat het bestand naar de fabrikant van het fotomasker wordt verzonden, is het zeer 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 het sub-golflengte niveau, hoewel de interacties tussen atomen in het materiaal op de macroscopische schaal worden behandeld. Typische methoden omvatten driedimensionale eindige-verschiltijd-domein (3D FDTD) en Eigenmode-uitbreiding (EME). Deze methoden zijn het meest nauwkeurig, maar zijn onpraktisch voor de hele PIC -simulatietijd. Het volgende niveau is 2,5-dimensionale EM-simulatie, zoals eindige-verschilstraalvoortplanting (FD-BPM). Deze methoden zijn veel sneller, maar offeren enige nauwkeurigheid op en kunnen alleen omgaan met paraxiale voortplanting 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 ze geen polarisatierotators kunnen simuleren. Een verder niveau is transmissie- en/of verstrooiingsmatrixsimulatie. Elke hoofdcomponent wordt gereduceerd tot een component met invoer en uitvoer, en de aangesloten golfgeleider wordt gereduceerd tot een faseverschuiving 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 invoer- en uitvoersignalen aan één zijde om de invoer- en uitvoersignalen aan de andere kant van de component te vinden. Kortom, de verstrooiingsmatrix bevat de reflectie in het element. De verstrooiingsmatrix is meestal twee keer zo groot als de transmissiematrix in elke dimensie. Samenvattend, van 3D EM tot transmissie/verstrooiingsmatrixsimulatie, presenteert elke laag simulatie een afweging tussen snelheid en nauwkeurigheid, en ontwerpers kiezen het juiste niveau van simulatie 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 hele PIC te simuleren, garandeert echter geen volledig correct ontwerp voor de stroomplaat. Bijvoorbeeld, verkeerd berekende padlengtes, multimode golfgeleiders die geen hoge-orde modi onderdrukken, of twee golfgeleiders die te dicht bij elkaar liggen, wat leidt tot onverwachte koppelingsproblemen zullen waarschijnlijk onopgemerkt blijven tijdens simulatie. 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 waarborgen en het risico op het stroomblad te verminderen.
Met een techniek genaamd Sparse FDTD kan 3D- en 2D FDTD -simulaties direct op een compleet PIC -ontwerp worden uitgevoerd om het ontwerp te valideren. Hoewel het moeilijk is voor elk elektromagnetisch simulatietool om een zeer grootschalige foto te simuleren, kan de schaarse FDTD een vrij groot lokaal gebied simuleren. In de traditionele 3D FDTD begint de simulatie door de zes componenten van het elektromagnetische veld binnen een specifiek gekwantiseerd volume te initialiseren. Naarmate de tijd vordert, wordt de nieuwe veldcomponent in het volume berekend, enzovoort. Elke stap vereist veel berekening, dus het duurt lang. In schaarse 3D FDTD wordt in plaats van op elke stap op elk punt van het volume een lijst met veldcomponenten te worden gehandhaafd die theoretisch overeenkomt met een willekeurig groot volume en alleen worden berekend voor die componenten. Bij elke tijdstap worden punten naast veldcomponenten toegevoegd, terwijl veldcomponenten onder een bepaalde vermogensdrempel worden gedropt. Voor sommige structuren kan deze berekening verschillende orden van grootte sneller zijn dan traditionele 3D FDTD. Spaarse FDTD's presteren echter niet goed bij het omgaan met dispersieve structuren omdat dit tijdveld zich te veel verspreidt, wat resulteert in lijsten die te lang en moeilijk te beheren zijn. Figuur 1 toont een voorbeeld screenshot van een 3D FDTD -simulatie vergelijkbaar met een polarisatiebundelsplitser (PBS).
Figuur 1: Simulatieresultaten van 3D spaarzame FDTD. (A) is een bovenaanzicht van de gesimuleerde structuur, wat een directionele koppeling is. (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 onderstaande diagrammen tonen het overeenkomstige transversale weergave. (C) toont een screenshot van een simulatie met behulp van quasi-tm excitatie.
Posttijd: JUL-23-2024