Progettazione difotonicocircuito integrato
circuiti fotonici integratiI circuiti integrati fotonici (PIC) sono spesso progettati con l'ausilio di script matematici a causa dell'importanza della lunghezza del percorso negli interferometri o in altre applicazioni sensibili alla lunghezza del percorso.FOTOIl circuito integrato fotonico (PIC) viene realizzato mediante la deposizione di 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 del progetto. 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. I metodi tipici includono il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo tridimensionale (3D FDTD) e l'espansione in modi propri (EME). Questi metodi sono i più accurati, ma risultano impraticabili per l'intera durata della simulazione del PIC. Il livello successivo è la simulazione EM bidimensionale e mezzo, come la propagazione del fascio a differenze finite (FD-BPM). Questi metodi sono molto più veloci, ma sacrificano parte della precisione e possono gestire solo la propagazione parassiale, non potendo essere utilizzati per simulare, ad esempio, 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 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 sostanza, 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 elettromagnetica 3D alla simulazione della matrice di trasmissione/diffusione, 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 validazione 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 calcolate in modo errato, guide d'onda multimodali che non riescono a sopprimere efficacemente i modi di ordine superiore o due guide d'onda troppo vicine tra loro che causano problemi di accoppiamento imprevisti, potrebbero non essere rilevate durante la simulazione. Pertanto, sebbene gli strumenti di simulazione avanzati offrano potenti capacità di validazione della progettazione, è comunque necessario un elevato grado di vigilanza e un'attenta ispezione da parte del progettista, unitamente all'esperienza pratica e alle conoscenze tecniche, per garantire la precisione e l'affidabilità della progettazione e ridurre il rischio di errori nella piastra 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 di grandi dimensioni, l'FDTD sparsa è in grado di simulare un'area locale piuttosto ampia. Nell'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 del campo nel volume, e così via. Ogni passaggio richiede molti calcoli, quindi il processo è lungo. Nell'FDTD 3D sparsa, invece di calcolare ad ogni passo in ogni punto del volume, viene mantenuto un elenco di componenti del campo che può teoricamente corrispondere a un volume arbitrariamente grande e per le quali vengono calcolate solo tali componenti. Ad ogni passo temporale, vengono aggiunti punti adiacenti alle componenti del campo, mentre le componenti del campo al di sotto di una certa soglia di potenza vengono scartate. Per alcune strutture, questo calcolo può essere di diversi ordini di grandezza più veloce rispetto all'FDTD 3D tradizionale. Tuttavia, i metodi FDTD sparsi non funzionano bene quando si ha a che fare con strutture dispersive perché in questo caso il campo temporale si espande eccessivamente, generando 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 polarizzante (PBS).
Figura 1: Risultati della simulazione da FDTD sparsa 3D. (A) 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