Dizajn fotonskog integrisanog kola

Dizajn offotonskiintegrisano kolo

Fotonska integrirana kola(PIC) se često dizajniraju uz pomoć matematičkih skripti zbog važnosti dužine putanje u interferometrima ili drugim aplikacijama koje su osjetljive na dužinu putanje.PICproizvodi se nanošenjem više slojeva (obično 10 do 30) na pločici, koji se sastoje od mnogo poligonalnih oblika, često predstavljenih u GDSII formatu. Prije slanja datoteke proizvođaču fotomaske, jako je poželjno imati mogućnost simulacije PIC-a kako bi se provjerila ispravnost dizajna. Simulacija je podijeljena na više nivoa: najniži nivo je trodimenzionalna elektromagnetna (EM) simulacija, gdje se simulacija izvodi na podvalnom nivou, iako se interakcije između atoma u materijalu obrađuju na makroskopskoj skali. Tipične metode uključuju trodimenzionalni vremenski domen konačnih razlika (3D FDTD) i ekspanziju svojstvenog moda (EME). Ove metode su najpreciznije, ali su nepraktične za cijelo vrijeme PIC simulacije. Sljedeći nivo je 2,5-dimenzionalna EM simulacija, kao što je širenje snopa konačnih razlika (FD-BPM). Ove metode su mnogo brže, ali žrtvuju određenu preciznost i mogu se nositi samo s paraksijalnim širenjem i ne mogu se koristiti za simulaciju rezonatora, na primjer. Sljedeći nivo je 2D EM simulacija, kao što su 2D FDTD i 2D BPM. Oni su također brži, ali imaju ograničenu funkcionalnost, kao što ne mogu simulirati polarizacijske rotatore. Dalji nivo je simulacija matrice prijenosa i/ili raspršenja. Svaka glavna komponenta je redukovana na komponentu sa ulazom i izlazom, a povezani talasovod je sveden na fazni pomak i element za slabljenje. Ove simulacije su izuzetno brze. Izlazni signal se dobija množenjem matrice prenosa sa ulaznim signalom. Matrica raspršenja (čiji se elementi nazivaju S-parametri) množi ulazne i izlazne signale na jednoj strani kako bi pronašla ulazne i izlazne signale na drugoj strani komponente. U osnovi, matrica raspršenja sadrži refleksiju unutar elementa. Matrica raspršenja je obično dvostruko veća od transmisione matrice u svakoj dimenziji. Ukratko, od 3D EM do simulacije matrice prijenosa/raspršenja, svaki sloj simulacije predstavlja kompromis između brzine i tačnosti, a dizajneri biraju pravi nivo simulacije za svoje specifične potrebe kako bi optimizirali proces validacije dizajna.

Međutim, oslanjanje na elektromagnetnu simulaciju određenih elemenata i korištenje matrice raspršenja/transfera za simulaciju cijelog PIC-a ne garantuje potpuno ispravan dizajn ispred ploče protoka. Na primjer, pogrešno izračunate dužine putanje, multimodni talasovodi koji ne uspijevaju efikasno potisnuti modove visokog reda, ili dva valovoda koja su preblizu jedan drugom što dovodi do neočekivanih problema spajanja vjerovatno će ostati neotkriveni tokom simulacije. Stoga, iako napredni alati za simulaciju pružaju moćne mogućnosti validacije dizajna, ipak zahtijevaju visok stupanj budnosti i pažljive inspekcije od strane dizajnera, u kombinaciji s praktičnim iskustvom i tehničkim znanjem, kako bi se osigurala točnost i pouzdanost dizajna i smanjio rizik od flow sheet.

Tehnika koja se zove retki FDTD omogućava da se 3D i 2D FDTD simulacije izvode direktno na kompletnom PIC dizajnu radi validacije dizajna. Iako je teško za bilo koji alat za elektromagnetnu simulaciju da simulira PIC vrlo velike razmjere, rijetki FDTD može simulirati prilično veliko lokalno područje. U tradicionalnom 3D FDTD, simulacija počinje inicijalizacijom šest komponenti elektromagnetnog polja unutar određene kvantizovane zapremine. Kako vrijeme napreduje, izračunava se nova komponenta polja u volumenu i tako dalje. Svaki korak zahtijeva mnogo proračuna, tako da traje dosta vremena. U rijetkom 3D FDTD, umjesto izračunavanja u svakom koraku u svakoj tački volumena, održava se lista komponenti polja koje teoretski mogu odgovarati proizvoljno velikom volumenu i koje se izračunavaju samo za te komponente. U svakom vremenskom koraku dodaju se tačke pored komponenti polja, dok se komponente polja ispod određenog praga snage spuštaju. Za neke strukture, ovo izračunavanje može biti nekoliko redova veličine brže od tradicionalnog 3D FDTD. Međutim, rijetki FDTDS ne rade dobro kada se bave disperzivnim strukturama jer se ovo vremensko polje previše širi, što rezultira listama koje su preduge i kojima je teško upravljati. Slika 1 prikazuje primjer snimka ekrana 3D FDTD simulacije slične polarizacijskom razdjelniku zraka (PBS).

Slika 1: Rezultati simulacije iz 3D rijetke FDTD. (A) je pogled odozgo na strukturu koja se simulira, a koja je usmjerena spojnica. (B) Prikazuje snimku ekrana simulacije koja koristi kvazi-TE pobudu. Dva gornja dijagrama pokazuju pogled odozgo na kvazi-TE i kvazi-TM signale, a dva dijagrama ispod pokazuju odgovarajući pogled na poprečni presjek. (C) Prikazuje snimku ekrana simulacije koja koristi kvazi-TM pobudu.