Dizajnfotonskiintegrirano kolo
Fotonski integrirani krugovi(PIC) se često dizajniraju uz pomoć matematičkih skripti zbog važnosti dužine puta u interferometrima ili drugim aplikacijama koje su osjetljive na dužinu puta.PICse proizvodi nanošenjem više slojeva (obično 10 do 30) na pločicu, koji su sastavljeni od mnogih poligonalnih oblika, često predstavljenih u GDSII formatu. Prije slanja datoteke proizvođaču fotomaske, toplo je poželjno biti u mogućnosti simulirati PIC kako bi se provjerila ispravnost dizajna. Simulacija je podijeljena na više nivoa: najniži nivo je trodimenzionalna elektromagnetna (EM) simulacija, gdje se simulacija izvodi na nivou ispod talasne dužine, iako se interakcije između atoma u materijalu obrađuju na makroskopskoj skali. Tipične metode uključuju trodimenzionalnu simulaciju u vremenskom domenu konačnih razlika (3D FDTD) i ekspanziju svojstvenog moda (EME). Ove metode su najtačnije, ali su nepraktične za cijelo vrijeme PIC simulacije. Sljedeći nivo je 2,5-dimenzionalna EM simulacija, kao što je propagacija snopa konačnih razlika (FD-BPM). Ove metode su mnogo brže, ali žrtvuju određenu tačnost i mogu obraditi samo paraksijalnu propagaciju i ne mogu se koristiti za simulaciju rezonatora, na primjer. Sljedeći nivo je 2D EM simulacija, kao što su 2D FDTD i 2D BPM. One su također brže, ali imaju ograničenu funkcionalnost, jer ne mogu simulirati rotatore polarizacije. Daljnji nivo je simulacija matrice prijenosa i/ili raspršenja. Svaka glavna komponenta se svodi na komponentu s ulazom i izlazom, a povezani valovod se svodi na element faznog pomaka i slabljenja. Ove simulacije su izuzetno brze. Izlazni signal se dobija množenjem matrice prijenosa ulaznim signalom. Matrica raspršenja (čiji se elementi nazivaju S-parametri) množi ulazne i izlazne signale na jednoj strani kako bi se pronašli ulazni i izlazni signali na drugoj strani komponente. U osnovi, matrica raspršenja sadrži refleksiju unutar elementa. Matrica raspršenja je obično dvostruko veća od matrice prijenosa u svakoj dimenziji. Ukratko, od 3D EM do simulacije matrice prijenosa/raspješa, 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/prijenosa za simulaciju cijelog PIC-a ne garantuje potpuno ispravan dizajn ispred protočne ploče. Na primjer, pogrešno izračunate dužine puta, višemodni talasovodi koji ne uspijevaju efikasno potisnuti modove višeg reda ili dva talasovoda koja su preblizu jedan drugom što dovodi do neočekivanih problema sa spajanjem vjerovatno neće biti otkriveni tokom simulacije. Stoga, iako napredni alati za simulaciju pružaju moćne mogućnosti validacije dizajna, i dalje je potreban visok stepen budnosti i pažljiv pregled od strane dizajnera, u kombinaciji s praktičnim iskustvom i tehničkim znanjem, kako bi se osigurala tačnost i pouzdanost dizajna i smanjio rizik od dijagrama toka.
Tehnika koja se naziva rijetka FDTD omogućava direktno izvođenje 3D i 2D FDTD simulacija na kompletnom PIC dizajnu kako bi se validirao dizajn. Iako je bilo kojem alatu za elektromagnetnu simulaciju teško simulirati PIC vrlo velikih razmjera, rijetka FDTD je u stanju simulirati prilično veliko lokalno područje. U tradicionalnoj 3D FDTD, simulacija počinje inicijalizacijom šest komponenti elektromagnetnog polja unutar određenog kvantiziranog volumena. Kako vrijeme prolazi, izračunava se nova komponenta polja u volumenu i tako dalje. Svaki korak zahtijeva mnogo proračuna, tako da je potrebno mnogo vremena. U rijetkoj 3D FDTD, umjesto izračunavanja u svakom koraku u svakoj tački volumena, održava se lista komponenti polja koje teoretski mogu odgovarati proizvoljno velikom volumenu i mogu se izračunati samo za te komponente. U svakom vremenskom koraku dodaju se tačke susjedne komponentama polja, dok se komponente polja ispod određenog praga snage odbacuju. Za neke strukture, ovo izračunavanje može biti nekoliko redova veličine brže od tradicionalnog 3D FDTD. Međutim, rijetki FDTDS-ovi ne pokazuju dobre rezultate kada se radi o disperzivnim strukturama jer se ovo vremensko polje previše širi, što rezultira listama koje su preduge i teške za upravljanje. Slika 1 prikazuje primjer snimka ekrana 3D FDTD simulacije slične polarizacijskom razdjelniku snopa (PBS).
Slika 1: Rezultati simulacije iz 3D rijetke FDTD. (A) je pogled odozgo na strukturu koja se simulira, a to je usmjereni sprežnik. (B) Prikazuje snimak ekrana simulacije korištenjem kvazi-TE pobude. Dva dijagrama iznad prikazuju pogled odozgo na kvazi-TE i kvazi-TM signale, a dva dijagrama ispod prikazuju odgovarajući poprečni presjek. (C) Prikazuje snimak ekrana simulacije korištenjem kvazi-TM pobude.
Vrijeme objave: 23. jula 2024.