Дизайн нафотоненинтегрална схема
Фотонни интегрални схеми(PIC) често се проектират с помощта на математически скриптове поради важността на дължината на пътя в интерферометрите или други приложения, които са чувствителни към дължината на пътя.ПИКсе произвежда чрез нанасяне на множество слоеве (обикновено от 10 до 30) върху пластина, които са съставени от много многоъгълни форми, често представени във формат GDSII. Преди да изпратите файла на производителя на фотошаблон, е силно желателно да можете да симулирате PIC, за да проверите правилността на дизайна. Симулацията е разделена на няколко нива: най-ниското ниво е триизмерна електромагнитна (EM) симулация, където симулацията се извършва на ниво под дължината на вълната, въпреки че взаимодействията между атомите в материала се обработват в макроскопски мащаб. Типичните методи включват триизмерна времева област с крайни разлики (3D FDTD) и разширение на собствените моди (EME). Тези методи са най-точните, но са непрактични за цялото време на PIC симулацията. Следващото ниво е 2,5-измерна EM симулация, като например разпространение на лъч с крайни разлики (FD-BPM). Тези методи са много по-бързи, но жертват известна точност и могат да обработват само параксиално разпространение и не могат да се използват за симулиране на резонатори, например. Следващото ниво е 2D EM симулация, като например 2D FDTD и 2D BPM. Те също са по-бързи, но имат ограничена функционалност, например не могат да симулират ротатори на поляризация. Друго ниво е симулация на матрица на предаване и/или разсейване. Всеки основен компонент се редуцира до компонент с вход и изход, а свързаният вълновод се редуцира до елемент за фазово изместване и затихване. Тези симулации са изключително бързи. Изходният сигнал се получава чрез умножаване на матрицата на предаване по входния сигнал. Матрицата на разсейване (чиито елементи се наричат S-параметри) умножава входните и изходните сигнали от едната страна, за да намери входните и изходните сигнали от другата страна на компонента. По принцип матрицата на разсейване съдържа отражението вътре в елемента. Матрицата на разсейване обикновено е два пъти по-голяма от матрицата на предаване във всяко измерение. В обобщение, от 3D EM до симулация на матрица на предаване/разсейване, всеки слой симулация представлява компромис между скорост и точност и дизайнерите избират правилното ниво на симулация за своите специфични нужди, за да оптимизират процеса на валидиране на дизайна.
Въпреки това, разчитането на електромагнитна симулация на определени елементи и използването на матрица на разсейване/пренос за симулиране на целия PIC не гарантира напълно правилен дизайн пред проточната плоча. Например, неправилно изчислени дължини на пътя, многомодови вълноводи, които не успяват ефективно да потиснат модовете от висок порядък, или два вълновода, които са твърде близо един до друг, водещи до неочаквани проблеми със свързването, вероятно няма да бъдат открити по време на симулацията. Следователно, въпреки че усъвършенстваните инструменти за симулация предоставят мощни възможности за валидиране на дизайна, те все още изискват висока степен на бдителност и внимателна проверка от проектанта, съчетана с практически опит и технически познания, за да се гарантира точността и надеждността на дизайна и да се намали рискът от повреда на проточната схема.
Техника, наречена разредена FDTD (разредена FDTD), позволява 3D и 2D FDTD симулации да се извършват директно върху цялостен PIC дизайн, за да се валидира дизайнът. Въпреки че е трудно за който и да е инструмент за електромагнитна симулация да симулира PIC в много голям мащаб, разредената FDTD е в състояние да симулира сравнително голяма локална област. В традиционната 3D FDTD симулацията започва с инициализиране на шестте компонента на електромагнитното поле в рамките на специфичен квантован обем. С течение на времето се изчислява новият компонент на полето в обема и т.н. Всяка стъпка изисква много изчисления, така че отнема много време. В разредената 3D FDTD, вместо да се изчислява на всяка стъпка във всяка точка от обема, се поддържа списък с компоненти на полето, който теоретично може да съответства на произволно голям обем и да се изчислява само за тези компоненти. На всяка времева стъпка се добавят точки, съседни на компонентите на полето, докато компонентите на полето под определен праг на мощност се премахват. За някои структури това изчисление може да бъде с няколко порядъка по-бързо от традиционното 3D FDTD. Разредените FDTDS обаче не се представят добре при работа с дисперсивни структури, защото това времево поле се разпространява твърде много, което води до твърде дълги и трудни за управление списъци. Фигура 1 показва примерна екранна снимка на 3D FDTD симулация, подобна на поляризационен разделител на лъча (PBS).
Фигура 1: Резултати от симулация от 3D разредена FDTD. (A) е изглед отгоре на симулираната структура, която представлява насочен разклонител. (B) Показва екранна снимка на симулация, използваща квази-TE възбуждане. Двете диаграми по-горе показват изглед отгоре на квази-TE и квази-TM сигналите, а двете диаграми по-долу показват съответния изглед в напречно сечение. (C) Показва екранна снимка на симулация, използваща квази-TM възбуждане.
Време на публикуване: 23 юли 2024 г.