Progettazione difotonicocircuito integrato
Circuiti integrati fotonici(PIC) vengono spesso progettati con l'ausilio di script matematici a causa dell'importanza della lunghezza del percorso negli interferometri o in altre applicazioni che sono sensibili alla lunghezza del percorso.FOTOviene prodotto assemblando più strati (tipicamente da 10 a 30) su un wafer, composti da numerose forme poligonali, spesso rappresentate nel formato GDSII. Prima di inviare il file al produttore della fotomaschera, è fortemente auspicabile poter simulare il PIC per verificarne la correttezza progettuale. La simulazione è suddivisa in più livelli: il livello più basso è la simulazione elettromagnetica (EM) tridimensionale, in cui la simulazione viene eseguita a livello sub-lunghezza d'onda, sebbene le interazioni tra gli atomi nel materiale siano gestite su scala macroscopica. Metodi tipici includono la simulazione tridimensionale alle differenze finite nel dominio del tempo (3D FDTD) e l'espansione dei modi propri (EME). Questi metodi sono i più accurati, ma non sono applicabili per l'intero tempo di simulazione del PIC. Il livello successivo è la simulazione EM a 2,5 dimensioni, come la propagazione del fascio alle differenze finite (FD-BPM). Questi metodi sono molto più veloci, ma sacrificano un po' di accuratezza e possono gestire solo la propagazione parassiale, non potendo essere utilizzati, ad esempio, per simulare i risonatori. Il livello successivo è la simulazione EM 2D, come FDTD 2D e BPM 2D. Anche queste sono più veloci, ma hanno funzionalità limitate, ad esempio non possono simulare i rotatori di polarizzazione. Un ulteriore livello è la simulazione della matrice di trasmissione e/o di scattering. Ogni componente principale viene ridotto a un componente con ingresso e uscita, e la guida d'onda collegata viene ridotta a un elemento di sfasamento e attenuazione. Queste simulazioni sono estremamente veloci. Il segnale di uscita si ottiene moltiplicando la matrice di trasmissione per il segnale di ingresso. La matrice di scattering (i cui elementi sono chiamati parametri S) moltiplica i segnali di ingresso e di uscita da un lato per trovare i segnali di ingresso e di uscita dall'altro lato del componente. In pratica, la matrice di scattering contiene la riflessione all'interno dell'elemento. La matrice di scattering è solitamente il doppio della matrice di trasmissione in ciascuna dimensione. In sintesi, dalla simulazione EM 3D alla simulazione della matrice di trasmissione/dispersione, ogni livello di simulazione presenta un compromesso tra velocità e precisione, e i progettisti scelgono il livello di simulazione più adatto alle loro esigenze specifiche per ottimizzare il processo di convalida del progetto.
Tuttavia, affidarsi alla simulazione elettromagnetica di determinati elementi e utilizzare una matrice di scattering/trasferimento per simulare l'intero PIC non garantisce una progettazione completamente corretta a monte della piastra di flusso. Ad esempio, lunghezze di percorso errate, guide d'onda multimodali che non riescono a sopprimere efficacemente le modalità di ordine superiore o due guide d'onda troppo vicine tra loro che causano problemi di accoppiamento imprevisti sono probabilmente elementi che non vengono rilevati durante la simulazione. Pertanto, sebbene gli strumenti di simulazione avanzati offrano potenti funzionalità di convalida del progetto, richiedono comunque un elevato grado di vigilanza e un'attenta ispezione da parte del progettista, combinati con esperienza pratica e conoscenze tecniche, per garantire l'accuratezza e l'affidabilità del progetto e ridurre il rischio del diagramma di flusso.
Una tecnica chiamata FDTD sparsa consente di eseguire simulazioni FDTD 3D e 2D direttamente su un progetto PIC completo per convalidarlo. Sebbene sia difficile per qualsiasi strumento di simulazione elettromagnetica simulare un PIC su larga scala, la FDTD sparsa è in grado di simulare un'area locale piuttosto ampia. Nella FDTD 3D tradizionale, la simulazione inizia inizializzando le sei componenti del campo elettromagnetico all'interno di uno specifico volume quantizzato. Con il passare del tempo, viene calcolata la nuova componente di campo nel volume e così via. Ogni passaggio richiede molti calcoli, quindi richiede molto tempo. Nella FDTD 3D sparsa, invece di calcolare a ogni passaggio in ogni 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 quelle componenti. A ogni passo temporale, vengono aggiunti punti adiacenti alle componenti di campo, mentre le componenti di campo al di sotto di una certa soglia di potenza vengono eliminate. Per alcune strutture, questo calcolo può essere di diversi ordini di grandezza più veloce rispetto alla FDTD 3D tradizionale. Tuttavia, gli FDTDS sparsi non funzionano bene quando si gestiscono strutture dispersive perché questo campo temporale si diffonde eccessivamente, dando origine a liste troppo lunghe e difficili da gestire. La Figura 1 mostra uno screenshot di esempio di una simulazione FDTD 3D simile a un divisore di fascio di polarizzazione (PBS).
Figura 1: Risultati della simulazione con FDTD sparso 3D. (A) è una vista dall'alto della struttura simulata, che è un accoppiatore direzionale. (B) Mostra uno screenshot di una simulazione con eccitazione quasi-TE. I due diagrammi sopra mostrano la vista dall'alto dei segnali quasi-TE e quasi-TM, e i due diagrammi sotto mostrano la corrispondente vista in sezione trasversale. (C) Mostra uno screenshot di una simulazione con eccitazione quasi-TM.
Data di pubblicazione: 23 luglio 2024