Fotoniskās integrālās shēmas projektēšana

Dizainsfotonisksintegrētā shēma

Fotoniskās integrālās shēmas(PIC) bieži tiek izstrādāti, izmantojot matemātiskos skriptus, jo ceļa garumam ir nozīme interferometros vai citās lietojumprogrammās, kas ir jutīgas pret ceļa garumu.PICtiek ražots, uz vafeles uzklājot vairākus slāņus (parasti no 10 līdz 30), kas sastāv no daudzām daudzstūra formām, kuras bieži attēlo GDSII formātā. Pirms faila nosūtīšanas fotomaskas ražotājam ir ļoti vēlams, lai varētu simulēt PIC, lai pārbaudītu dizaina pareizību. Simulācija ir sadalīta vairākos līmeņos: zemākais līmenis ir trīsdimensiju elektromagnētiskā (EM) simulācija, kur simulācija tiek veikta apakšviļņu līmenī, lai gan mijiedarbība starp atomiem materiālā tiek apstrādāta makroskopiskā mērogā. Tipiskās metodes ietver trīsdimensiju ierobežotu atšķirību laika domēnu (3D FDTD) un īpatnējā režīma paplašināšanu (EME). Šīs metodes ir visprecīzākās, taču tās ir nepraktiskas visam PIC simulācijas laikam. Nākamais līmenis ir 2,5 dimensiju EM simulācija, piemēram, galīgās atšķirības staru izplatīšanās (FD-BPM). Šīs metodes ir daudz ātrākas, taču upurē zināmu precizitāti un var apstrādāt tikai paraksiālu izplatīšanos, un tās nevar izmantot, piemēram, rezonatoru simulēšanai. Nākamais līmenis ir 2D EM simulācija, piemēram, 2D FDTD un 2D BPM. Tie ir arī ātrāki, taču tiem ir ierobežota funkcionalitāte, piemēram, tie nevar simulēt polarizācijas rotatorus. Vēl viens līmenis ir pārraides un/vai izkliedes matricas simulācija. Katrs galvenais komponents tiek reducēts līdz komponentam ar ieeju un izvadi, un pievienotais viļņvads tiek reducēts līdz fāzes nobīdes un vājinājuma elementam. Šīs simulācijas ir ārkārtīgi ātras. Izejas signālu iegūst, reizinot pārraides matricu ar ieejas signālu. Izkliedes matrica (kuras elementus sauc par S-parametriem) reizina ieejas un izejas signālus vienā pusē, lai atrastu ieejas un izejas signālus komponenta otrā pusē. Būtībā izkliedes matrica satur atspulgu elementa iekšpusē. Izkliedes matrica parasti ir divreiz lielāka par pārraides matricu katrā dimensijā. Rezumējot, sākot no 3D EM līdz pārraides/izkliedes matricas simulācijai, katrs simulācijas slānis rada kompromisu starp ātrumu un precizitāti, un dizaineri izvēlas pareizo simulācijas līmeni savām īpašajām vajadzībām, lai optimizētu dizaina apstiprināšanas procesu.

Tomēr, paļaujoties uz noteiktu elementu elektromagnētisko simulāciju un izmantojot izkliedes/pārsūtīšanas matricu, lai modelētu visu PIC, netiek garantēta pilnīgi pareiza konstrukcija plūsmas plāksnes priekšā. Piemēram, nepareizi aprēķināti ceļa garumi, daudzmodu viļņvadi, kas nespēj efektīvi nomākt augstas pakāpes režīmus, vai divi viļņvadi, kas atrodas pārāk tuvu viens otram, radot negaidītas savienojuma problēmas, visticamāk, simulācijas laikā netiks atklāti. Tāpēc, lai gan uzlabotie simulācijas rīki nodrošina jaudīgas dizaina apstiprināšanas iespējas, tomēr ir nepieciešama augsta līmeņa modrība un rūpīga dizainera pārbaude, apvienojumā ar praktisko pieredzi un tehniskajām zināšanām, lai nodrošinātu dizaina precizitāti un uzticamību un samazinātu plūsmas lapa.

Paņēmiens, ko sauc par retu FDTD, ļauj 3D un 2D FDTD simulācijas veikt tieši ar pilnu PIC dizainu, lai apstiprinātu dizainu. Lai gan jebkuram elektromagnētiskās simulācijas rīkam ir grūti simulēt ļoti liela mēroga PIC, retais FDTD spēj simulēt diezgan lielu lokālo apgabalu. Tradicionālajā 3D FDTD modelēšana sākas ar sešu elektromagnētiskā lauka komponentu inicializāciju noteiktā kvantētā tilpumā. Laika gaitā tiek aprēķināta jaunā lauka sastāvdaļa sējumā utt. Katrs solis prasa daudz aprēķinu, tāpēc tas aizņem ilgu laiku. Retajā 3D FDTD tā vietā, lai aprēķinātu katrā solī katrā tilpuma punktā, tiek uzturēts lauka komponentu saraksts, kas teorētiski var atbilst patvaļīgi lielam apjomam un tiek aprēķināts tikai šīm sastāvdaļām. Katrā laika posmā tiek pievienoti punkti, kas atrodas blakus lauka komponentiem, savukārt lauka komponenti, kas ir zem noteikta jaudas sliekšņa, tiek atmesti. Dažām struktūrām šis aprēķins var būt par vairākām kārtām ātrāks nekā tradicionālais 3D FDTD. Tomēr reti sastopamie FDTDS nedarbojas labi, strādājot ar izkliedētām struktūrām, jo ​​šis laika lauks izplatās pārāk daudz, kā rezultātā saraksti ir pārāk gari un grūti pārvaldāmi. 1. attēlā parādīts 3D FDTD simulācijas piemērs, kas ir līdzīgs polarizācijas staru sadalītājam (PBS).

1. attēls. Simulācijas rezultāti no 3D retā FDTD. (A) ir simulējamās struktūras skats no augšas, kas ir virziena savienotājs. (B) parāda simulācijas ekrānuzņēmumu, izmantojot kvazi-TE ierosmi. Divas iepriekš esošās diagrammas parāda kvazi-TE un kvazi-TM signālu augšējo skatu, un divas zemāk esošās diagrammas parāda atbilstošo šķērsgriezuma skatu. (C) parāda simulācijas ekrānuzņēmumu, izmantojot kvazi-TM ierosmi.