Progettazione di circuiti integrati fotonici

Progettazione 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 in altre applicazioni sensibili alla lunghezza del percorso.FOTOè prodotto modellando più strati (tipicamente da 10 a 30) su un wafer, composti da molte forme poligonali, spesso rappresentate nel formato GDSII. Prima di inviare il file al produttore della fotomaschera, è fortemente auspicabile poter simulare il PIC per verificare la correttezza del disegno. La simulazione è divisa 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. I metodi tipici includono il dominio del tempo alle differenze finite tridimensionali (3D FDTD) e l'espansione dei modi propri (EME). Questi metodi sono i più accurati, ma sono poco pratici per l'intero tempo di simulazione del PIC. Il livello successivo è la simulazione EM a 2,5 dimensioni, come la propagazione del fascio a differenze finite (FD-BPM). Questi metodi sono molto più veloci, ma sacrificano una certa precisione e possono gestire solo la propagazione parassiale e non possono essere utilizzati, ad esempio, per simulare i risonatori. Il livello successivo è la simulazione EM 2D, come FDTD 2D e BPM 2D. Anche questi sono più veloci, ma hanno funzionalità limitate, in quanto non possono simulare i rotatori di polarizzazione. Un ulteriore livello è la simulazione della matrice di trasmissione e/o diffusione. Ciascun 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 su un lato per trovare i segnali di ingresso e di uscita sull'altro lato del componente. Fondamentalmente, la matrice di scattering contiene la riflessione all'interno dell'elemento. La matrice di diffusione è solitamente due volte più grande della matrice di trasmissione in ciascuna dimensione. In sintesi, dall'EM 3D alla simulazione della matrice di trasmissione/diffusione, ogni livello di simulazione presenta un compromesso tra velocità e precisione e i progettisti scelgono il giusto livello di simulazione per le loro esigenze specifiche per ottimizzare il processo di convalida del progetto.

Tuttavia, fare affidamento sulla simulazione elettromagnetica di alcuni elementi e utilizzare una matrice di diffusione/trasferimento per simulare l'intero PIC non garantisce una progettazione completamente corretta davanti alla piastra di flusso. Ad esempio, lunghezze del percorso calcolate erroneamente, guide d'onda multimodali che non riescono a sopprimere efficacemente le modalità di ordine superiore o due guide d'onda troppo vicine l'una all'altra che causano problemi di accoppiamento imprevisti è probabile che non vengano rilevate durante la simulazione. Pertanto, sebbene gli strumenti di simulazione avanzati forniscano potenti capacità di convalida del progetto, sono comunque necessari un elevato grado di vigilanza e un'attenta ispezione da parte del progettista, combinati con esperienza pratica e conoscenza tecnica, per garantire l'accuratezza e l'affidabilità del progetto e ridurre il rischio di foglio di flusso.

Una tecnica chiamata FDTD sparso consente di eseguire simulazioni FDTD 3D e 2D direttamente su un progetto PIC completo per convalidare il progetto. Sebbene sia difficile per qualsiasi strumento di simulazione elettromagnetica simulare un PIC su scala molto ampia, l’FDTD sparso è in grado di simulare un’area locale abbastanza ampia. Nel tradizionale FDTD 3D, la simulazione inizia inizializzando le sei componenti del campo elettromagnetico all'interno di uno specifico volume quantizzato. Col passare del tempo, viene calcolato il nuovo componente del campo nel volume e così via. Ogni passaggio richiede molti calcoli, quindi richiede molto tempo. Nel FDTD 3D sparso, invece di eseguire il calcolo in ogni passaggio in ciascun punto del volume, viene mantenuto un elenco di componenti del campo che può teoricamente corrispondere a un volume arbitrariamente grande ed essere calcolato solo per tali componenti. Ad ogni passo temporale, vengono aggiunti punti adiacenti ai componenti del campo, mentre i componenti del campo al di sotto di una certa soglia di potenza vengono eliminati. Per alcune strutture, questo calcolo può essere diversi ordini di grandezza più veloce rispetto al tradizionale FDTD 3D. Tuttavia, i FDTDS sparsi non funzionano bene quando si ha a che fare con strutture dispersive perché questa volta il campo si diffonde troppo, dando come risultato elenchi troppo lunghi e difficili da gestire. La Figura 1 mostra uno screenshot di esempio di una simulazione 3D FDTD simile a un divisore di fascio di polarizzazione (PBS).

Figura 1: risultati della simulazione da FDTD sparso 3D. (A) è una vista dall'alto della struttura simulata, che è un accoppiatore direzionale. (B) Mostra uno screenshot di una simulazione utilizzando l'eccitazione quasi-TE. I due diagrammi sopra mostrano la vista dall'alto dei segnali quasi-TE e quasi-TM, mentre i due diagrammi sottostanti mostrano la corrispondente vista in sezione trasversale. (C) Mostra uno screenshot di una simulazione utilizzando l'eccitazione quasi-TM.


Orario di pubblicazione: 23 luglio 2024