Tervezésefotonikusintegrált áramkör
Fotonikus integrált áramkörökA (PIC) interferométerekben vagy más, az úthosszra érzékeny alkalmazásokban az úthossz fontossága miatt gyakran matematikai szkriptek segítségével tervezik.PICtöbb réteg (jellemzően 10-30) ostyára történő mintázatával állítják elő, amelyek számos sokszögű alakzatból állnak, gyakran GDSII formátumban ábrázolva. Mielőtt a fájlt elküldenénk a fotomaszk gyártójának, erősen kívánatos, hogy a PIC szimulációja elvégezhető legyen a terv helyességének ellenőrzése érdekében. A szimuláció több szintre oszlik: a legalacsonyabb szint a háromdimenziós elektromágneses (EM) szimuláció, ahol a szimulációt a hullámhossz alatti szinten hajtják végre, bár az anyagban lévő atomok közötti kölcsönhatásokat makroszkopikus léptékben kezelik. A tipikus módszerek közé tartozik a háromdimenziós véges differencia időtartomány (3D FDTD) és a sajátmódus-kiterjesztés (EME). Ezek a módszerek a legpontosabbak, de a teljes PIC szimulációs idő alatt nem praktikusak. A következő szint a 2,5 dimenziós EM szimuláció, például a véges differencia nyalábterjedés (FD-BPM). Ezek a módszerek sokkal gyorsabbak, de némi pontosságot feláldoznak, és csak a paraxiális terjedést tudják kezelni, és nem használhatók például rezonátorok szimulálására. A következő szint a 2D EM szimuláció, mint például a 2D FDTD és a 2D BPM. Ezek szintén gyorsabbak, de korlátozott funkcionalitással rendelkeznek, például nem tudják szimulálni a polarizációforgatókat. További szint az átviteli és/vagy szórási mátrix szimuláció. Minden fő komponenst egy bemenettel és kimenettel rendelkező komponensre redukálnak, a csatlakoztatott hullámvezetőt pedig egy fázistoló és csillapító elemre. Ezek a szimulációk rendkívül gyorsak. A kimeneti jelet az átviteli mátrix és a bemeneti jel szorzásával kapjuk meg. A szórási mátrix (amelynek elemeit S-paramétereknek nevezzük) az egyik oldalon lévő bemeneti és kimeneti jeleket szorozza meg, hogy megtalálja a komponens másik oldalán lévő bemeneti és kimeneti jeleket. Alapvetően a szórási mátrix tartalmazza az elemen belüli visszaverődést. A szórási mátrix általában kétszer akkora, mint az átviteli mátrix minden dimenzióban. Összefoglalva, a 3D EM-től az átviteli/szórási mátrix szimulációig a szimuláció minden rétege kompromisszumot jelent a sebesség és a pontosság között, és a tervezők a saját igényeiknek megfelelő szimulációs szintet választják a tervvalidációs folyamat optimalizálása érdekében.
Azonban bizonyos elemek elektromágneses szimulációjára hagyatkozni és a teljes PIC szimulálásához szórási/átviteli mátrixot használni nem garantál teljesen helyes tervet az áramlási lemez előtt. Például a rosszul kiszámított úthosszak, a többmódusú hullámvezetők, amelyek nem képesek hatékonyan elnyomni a magas rendű módusokat, vagy két hullámvezető, amelyek túl közel vannak egymáshoz, ami váratlan csatolási problémákhoz vezet, valószínűleg észrevétlenek maradnak a szimuláció során. Ezért, bár a fejlett szimulációs eszközök hatékony tervvalidációs képességeket biztosítanak, a tervező részéről továbbra is nagyfokú éberségre és gondos ellenőrzésre van szükség, a gyakorlati tapasztalattal és a műszaki ismeretekkel kombinálva, hogy biztosítsák a terv pontosságát és megbízhatóságát, valamint csökkentsék az áramlási ábra kockázatát.
A ritka FDTD-nek nevezett technika lehetővé teszi a 3D és 2D FDTD szimulációk közvetlen végrehajtását egy teljes PIC-tervön a terv validálása érdekében. Bár bármely elektromágneses szimulációs eszközzel nehéz egy nagyon nagy léptékű PIC-et szimulálni, a ritka FDTD képes egy meglehetősen nagy lokális terület szimulálására. A hagyományos 3D FDTD-ben a szimuláció az elektromágneses tér hat komponensének inicializálásával kezdődik egy adott kvantált térfogaton belül. Az idő múlásával a térfogat új térkomponense kiszámításra kerül, és így tovább. Minden lépés sok számítást igényel, így sokáig tart. A ritka 3D FDTD-ben a térfogat minden pontján minden lépésben történő számítás helyett a térkomponensek egy listáját tartják fenn, amely elméletileg egy tetszőlegesen nagy térfogatnak felelhet meg, és csak ezekre a komponensekre számítható ki. Minden egyes időpontban a térkomponensekhez szomszédos pontok hozzáadódnak, míg egy bizonyos teljesítményküszöb alatti térkomponensek elvetik. Egyes struktúrák esetében ez a számítás több nagyságrenddel gyorsabb lehet, mint a hagyományos 3D FDTD. A ritka FDTTD-szimulációk azonban nem teljesítenek jól diszperzív struktúrák esetén, mivel ez az időmező túlságosan szétterül, ami túl hosszú és nehezen kezelhető listákat eredményez. Az 1. ábra egy polarizációs nyalábosztóhoz (PBS) hasonló 3D FDTD szimuláció képernyőképét mutatja be.
1. ábra: 3D ritka FDTD szimulációs eredmények. (A) A szimulált szerkezet, amely egy irányított csatoló felülnézete. (B) Egy kvázi-TE gerjesztéssel készült szimuláció képernyőképe. A fenti két ábra a kvázi-TE és kvázi-TM jelek felülnézetét, az alábbi két ábra pedig a megfelelő keresztmetszeti nézetet mutatja. (C) Egy kvázi-TM gerjesztéssel készült szimuláció képernyőképe.
Közzététel ideje: 2024. július 23.