Design diFotonicoCircuito integrato
Circuiti integrati fotonici(PIC) sono spesso progettati con l'aiuto di script matematici a causa dell'importanza della lunghezza del percorso negli interferometri o di altre applicazioni sensibili alla lunghezza del percorso.Fotoviene prodotto modellando più strati (in genere da 10 a 30) su un wafer, che sono composti da molte forme poligonali, spesso rappresentate nel formato GDSII. Prima di inviare il file al produttore di Photomask, è fortemente desiderabile poter simulare il PIC per verificare la correttezza del design. La simulazione è divisa in più livelli: il livello più basso è la simulazione elettromagnetica tridimensionale (EM), in cui la simulazione viene eseguita a livello di lunghezza d'onda secondaria, sebbene le interazioni tra gli atomi nel materiale siano gestite su scala macroscopica. I metodi tipici includono il dominio del tempo a differenza finita tridimensionale (FDTD 3D) e l'espansione di Eigenmode (EME). Questi metodi sono i più accurati, ma non sono pratici per l'intero tempo di simulazione PIC. Il livello successivo è la simulazione EM 2,5 dimensionale, come la propagazione del fascio a differenza finita (FD-BPM). Questi metodi sono molto più veloci, ma sacrificano una certa precisione e possono solo gestire la propagazione parassiale e non possono essere utilizzati per simulare i risonatori, per esempio. Il livello successivo è la simulazione EM 2D, come 2D FDTD e 2D BPM. Questi sono anche più veloci, ma hanno funzionalità limitate, come non possono simulare i rotatori di polarizzazione. Un ulteriore livello è la trasmissione e/o la simulazione della matrice di scattering. Ogni componente principale è ridotto a un componente con input e output e la guida d'onda collegata viene ridotta a uno sfasamento e elemento di attenuazione. Queste simulazioni sono estremamente veloci. Il segnale di uscita viene ottenuto moltiplicando la matrice di trasmissione dal segnale di ingresso. La matrice di scattering (i cui elementi sono chiamati parametri S) moltiplica i segnali di input e uscita su un lato per trovare i segnali di ingresso e uscita sull'altro lato del componente. Fondamentalmente, la matrice di scattering contiene il riflesso all'interno dell'elemento. La matrice di scattering è generalmente due volte più grande della matrice di trasmissione in ogni dimensione. In sintesi, da EM 3D alla simulazione della matrice di trasmissione/scattering, ogni livello di simulazione presenta un compromesso tra velocità e accuratezza e i progettisti scelgono il giusto livello di simulazione per le loro esigenze specifiche per ottimizzare il processo di validazione del design.
Tuttavia, fare affidamento sulla simulazione elettromagnetica di alcuni elementi e l'uso di una matrice di scattering/trasferimento per simulare l'intero PIC non garantisce un design completamente corretto davanti alla piastra di flusso. Ad esempio, le lunghezze del percorso calcolato, le guide d'onda multimodali che non riescono a sopprimere efficacemente le modalità di ordine elevato o due guide d'onda che sono troppo vicine l'una all'altra che portano a problemi di accoppiamento imprevisti probabilmente non saranno rilevati durante la simulazione. Pertanto, sebbene gli strumenti di simulazione avanzati forniscano potenti capacità di convalida della progettazione, richiede comunque un alto grado di vigilanza e un'attenta ispezione da parte del progettista, combinato con esperienza pratica e conoscenze tecniche, per garantire l'accuratezza e l'affidabilità della progettazione e ridurre il rischio del foglio di flusso.
Una tecnica chiamata Sparse FDTD consente di eseguire le simulazioni FDTD 3D e 2D direttamente su un design completo per convalidare il design. Sebbene sia difficile per qualsiasi strumento di simulazione elettromagnetica simulare un PIC molto su larga scala, lo sparso FDTD è in grado di simulare un'area locale abbastanza grande. Nel tradizionale FDTD 3D, la simulazione inizia inizializzando i sei componenti del campo elettromagnetico all'interno di un volume quantizzato specifico. Col passare del tempo, viene calcolato il nuovo componente di campo nel volume e così via. Ogni passaggio richiede molti calcoli, quindi ci vuole molto tempo. In FDTD 3D sparsi, invece di calcolare in ogni fase in ciascun punto del volume, viene mantenuto un elenco di componenti di campo che può teoricamente corrispondere a un volume arbitrariamente grande ed essere calcolato solo per tali componenti. Ad ogni fase temporale, vengono aggiunti punti adiacenti ai componenti di campo, mentre i componenti di campo al di sotto di una determinata soglia di potenza vengono eliminati. Per alcune strutture, questo calcolo può essere diversi ordini di grandezza più velocemente del tradizionale FDTD 3D. Tuttavia, gli FDTD sparsi non funzionano bene quando si tratta di strutture dispersive perché questo campo di tempo si diffonde troppo, risultando in elenchi troppo lunghi e difficili da gestire. La Figura 1 mostra uno screenshot di esempio di una simulazione FDTD 3D simile a uno splitter a fascio di polarizzazione (PBS).
Figura 1: i risultati della simulazione da FDTD 3D sparsi. (A) è una vista superiore della struttura che viene simulata, che è un accoppiatore direzionale. (B) mostra uno screenshot di una simulazione usando l'eccitazione quasi-te. I due diagrammi sopra mostrano la vista superiore dei segnali Quasi-Te e Quasi-TM e i due diagrammi seguenti mostrano la corrispondente vista trasversale. (C) mostra uno screenshot di una simulazione usando l'eccitazione quasi-TM.
Tempo post: lug-23-2024