Fotoniskās integrētās shēmas projektēšana

Dizainsfotonisksintegrētā shēma

Fotoniskās integrētās shēmas(PIC) bieži tiek izstrādāti, izmantojot matemātiskus skriptus, jo ceļa garums ir svarīgs interferometros vai citās lietojumprogrammās, kas ir jutīgas pret ceļa garumu.PICtiek ražots, uzklājot vairākus slāņus (parasti no 10 līdz 30) uz vafeles, kas sastāv no daudzām daudzstūra formām, bieži attēlotas GDSII formātā. Pirms faila nosūtīšanas fotomaskas ražotājam ir ļoti vēlams spēt simulēt PIC, lai pārbaudītu konstrukcijas pareizību. Simulācija ir sadalīta vairākos līmeņos: zemākais līmenis ir trīsdimensiju elektromagnētiskā (EM) simulācija, kur simulācija tiek veikta apakšviļņu garuma līmenī, lai gan mijiedarbība starp atomiem materiālā tiek apstrādāta makroskopiskā mērogā. Tipiskas metodes ietver trīsdimensiju galīgās starpības laika domēnu (3D FDTD) un īpašmodu paplašināšanu (EME). Šīs metodes ir visprecīzākās, taču nav praktiskas visam PIC simulācijas laikam. Nākamais līmenis ir 2,5 dimensiju EM simulācija, piemēram, galīgās starpības staru kūļa izplatīšanās (FD-BPM). Šīs metodes ir daudz ātrākas, taču upurē zināmu precizitāti un var apstrādāt tikai paraksiālo izplatīšanos, un tās nevar izmantot, piemēram, rezonatoru simulēšanai. Nākamais līmenis ir 2D EM simulācija, piemēram, 2D FDTD un 2D BPM. Arī tās ir ātrākas, taču tām ir ierobežota funkcionalitāte, piemēram, tās nevar simulēt polarizācijas rotatorus. Vēl viens līmenis ir pārraides un/vai izkliedes matricas simulācija. Katra galvenā komponente tiek reducēta līdz komponentei ar ieeju un izeju, un pievienotais viļņvads tiek reducēts līdz fāzes nobīdes un vājināšanas elementam. Šīs simulācijas ir ārkārtīgi ātras. Izejas signāls tiek iegūts, 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 komponentes otrā pusē. Būtībā izkliedes matrica satur atstarošanos elementa iekšpusē. Izkliedes matrica parasti ir divreiz lielāka nekā pārraides matrica katrā dimensijā. Rezumējot, sākot no 3D EM līdz pārraides/izkliedes matricas simulācijai, katrs simulācijas slānis piedāvā kompromisu starp ātrumu un precizitāti, un projektētāji izvēlas pareizo simulācijas līmeni savām īpašajām vajadzībām, lai optimizētu projektēšanas validācijas procesu.

Tomēr, paļaujoties uz noteiktu elementu elektromagnētisko simulāciju un izmantojot izkliedes/pārneses matricu visa PIC simulācijai, netiek garantēta pilnīgi pareiza konstrukcija plūsmas plāksnes priekšā. Piemēram, nepareizi aprēķināti ceļa garumi, daudzmodu viļņvadi, kas nespēj efektīvi apslāpēt augstas kārtas režīmus, vai divi viļņvadi, kas atrodas pārāk tuvu viens otram, radot negaidītas savienojuma problēmas, simulācijas laikā, visticamāk, netiks atklāti. Tāpēc, lai gan uzlaboti simulācijas rīki nodrošina jaudīgas konstrukcijas validācijas iespējas, projektētājam joprojām ir nepieciešama augsta modrība un rūpīga pārbaude apvienojumā ar praktisku pieredzi un tehniskām zināšanām, lai nodrošinātu konstrukcijas precizitāti un uzticamību un samazinātu plūsmas shēmas risku.

Metode, ko sauc par reto FDTD, ļauj veikt 3D un 2D FDTD simulācijas tieši uz pilnīga PIC projekta, lai validētu projektu. Lai gan jebkuram elektromagnētiskās simulācijas rīkam ir grūti simulēt ļoti liela mēroga PIC, retā FDTD spēj simulēt diezgan lielu lokālu apgabalu. Tradicionālajā 3D FDTD simulācija sākas ar sešu elektromagnētiskā lauka komponentu inicializēšanu noteiktā kvantētā tilpumā. Laika gaitā tiek aprēķināta jaunā lauka komponente tilpumā utt. Katrs solis prasa daudz aprēķinu, tāpēc tas aizņem ilgu laiku. Retajā 3D FDTD, tā vietā, lai veiktu aprēķinus katrā solī katrā tilpuma punktā, tiek uzturēts lauka komponentu saraksts, kas teorētiski var atbilst patvaļīgi lielam tilpumam un tikt aprēķināts tikai šiem komponentiem. Katrā laika solī tiek pievienoti punkti, kas atrodas blakus lauka komponentiem, savukārt lauka komponenti, kas atrodas zem noteikta jaudas sliekšņa, tiek atmesti. Dažām struktūrām šis aprēķins var būt par vairākām lieluma kārtām ātrāks nekā tradicionālajā 3D FDTD. Tomēr retie FDTDS modeļi nedarbojas labi, strādājot ar dispersīvām struktūrām, jo ​​šis laika lauks pārāk izplešas, kā rezultātā saraksti ir pārāk gari un grūti pārvaldāmi. 1. attēlā redzams 3D FDTD simulācijas ekrānuzņēmuma piemērs, kas ir līdzīgs polarizācijas staru sadalītājam (PBS).

1. attēls: Simulācijas rezultāti no 3D retas FDTD. (A) — simulējamās struktūras, kas ir virziena savienotājs, skats no augšas. (B) — simulācijas ekrānuzņēmums, izmantojot kvazi-TE ierosmi. Abās iepriekš redzamajās diagrammās redzams kvazi-TE un kvazi-TM signālu skats no augšas, un divās zemāk redzamajās diagrammās redzams atbilstošais šķērsgriezuma skats. (C) — simulācijas ekrānuzņēmums, izmantojot kvazi-TM ierosmi.