Fotonikus integrált áramkör tervezése

Tervezésefotonikusintegrált áramkör

Fotonikus integrált áramkörök(PIC) gyakran matematikai szkriptek segítségével készülnek, mivel az interferométerekben vagy más olyan alkalmazásokban fontos az úthossz, amelyek érzékenyek az úthosszra.PICtöbb réteg (általában 10-30) mintázatával készül egy ostyára, amelyek sok sokszög alakzatból állnak, gyakran GDSII formátumban. Mielőtt elküldené a fájlt a fotómaszk gyártójának, erősen kívánatos, hogy a PIC-t szimulálni lehessen a terv helyességének ellenőrzésére. 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 különbségű időtartomány (3D FDTD) és a sajátmódusú bővítés (EME). Ezek a módszerek a legpontosabbak, de nem praktikusak a teljes PIC szimulációs idő alatt. A következő szint a 2,5 dimenziós EM szimuláció, mint például a véges különbségű nyalábterjedés (FD-BPM). Ezek a módszerek sokkal gyorsabbak, de feláldoznak némi pontosságot, és csak paraxiális terjedést tudnak kezelni, és nem használhatók például rezonátorok szimulálására. A következő szint a 2D EM szimuláció, mint például a 2D FDTD és a 2D BPM. Ezek gyorsabbak is, de korlátozott funkcionalitásúak, például nem szimulálják a polarizációs rotátorokat. További szint az átviteli és/vagy szórási mátrix szimuláció. Minden fő komponens egy bemenettel és kimenettel rendelkező komponenssé redukálódik, a csatlakoztatott hullámvezető pedig fáziseltoló és csillapító elemmé. Ezek a szimulációk rendkívül gyorsak. A kimeneti jelet úgy kapjuk meg, hogy az átviteli mátrixot megszorozzuk a bemeneti jellel. A szórási mátrix (amelynek elemeit S-paramétereknek nevezzük) megszorozza az egyik oldalon lévő bemeneti és kimeneti jeleket, hogy megtalálja a bemeneti és kimeneti jeleket a komponens másik oldalán. 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 kiválasztják a megfelelő szimulációs szintet sajátos igényeiknek megfelelően, hogy optimalizálják a tervezési validálási folyamatot.

Azonban bizonyos elemek elektromágneses szimulációjára támaszkodva és a teljes PIC szimulálására szórási/átviteli mátrixot használva nem garantálható a teljesen helyes kialakítás az áramlási lemez előtt. Például a rosszul kiszámított úthosszak, a többmódusú hullámvezetők, amelyek nem képesek hatékonyan elnyomni a magasabb rendű módokat, vagy két hullámvezető, amelyek túl közel vannak egymáshoz, ami váratlan csatolási problémákhoz vezet, valószínűleg észrevétlen marad a szimuláció során. Ezért, bár a fejlett szimulációs eszközök hatékony tervezési ellenőrzési képességeket biztosítanak, ennek ellenére nagyfokú éberséget és alapos ellenőrzést igényel a tervező részéről, valamint gyakorlati tapasztalattal és műszaki ismeretekkel párosítva a tervezés pontosságát és megbízhatóságát, valamint csökkenti a tervezési hibák kockázatát. folyamatlap.

A ritka FDTD-nek nevezett technika lehetővé teszi a 3D és 2D FDTD szimulációk közvetlen végrehajtását egy teljes PIC-terven a terv érvényesítése érdekében. Bár bármilyen elektromágneses szimulációs eszköz számára nehéz nagyon nagy léptékű PIC-t szimulálni, a ritka FDTD meglehetősen nagy helyi területet képes szimulálni. A hagyományos 3D FDTD-ben a szimuláció az elektromágneses mező hat összetevőjének inicializálásával kezdődik egy adott kvantált térfogaton belül. Az idő előrehaladtával a rendszer kiszámítja a kötetben lévő új mezőkomponenst, és így tovább. Minden egyes lépés sok számítást igényel, ezért sok időt vesz igénybe. A ritka 3D FDTD-ben ahelyett, hogy minden lépésben, a térfogat minden pontján számolnának, egy listát tartanak fenn a mezőösszetevőkről, amelyek elméletileg tetszőlegesen nagy térfogatnak felelhetnek meg, és csak azokra az összetevőkre számíthatók ki. Minden egyes időlépésben a rendszer hozzáadja a terepi komponensekkel szomszédos pontokat, míg a bizonyos teljesítményküszöb alatti mezőkomponenseket eldobja. Egyes struktúrák esetében ez a számítás több nagyságrenddel gyorsabb lehet, mint a hagyományos 3D FDTD. A ritka FDTDS-ek azonban nem teljesítenek jól diszperzív struktúrák kezelésekor, mert ez az időmező túlságosan terjed, ami túl hosszú és nehezen kezelhető listákat eredményez. Az 1. ábra egy polarizációs nyalábosztóhoz (PBS) hasonló 3D FDTD szimuláció példáját mutatja be.

1. ábra: A 3D ritka FDTD szimulációs eredményei. (A) a szimulált szerkezet felülnézete, amely egy iránycsatoló. (B) Képernyőképet jelenít meg egy kvázi-TE gerjesztést használó szimulációról. A fenti két diagram a kvázi TE és kvázi TM jelek felülnézetét mutatja, az alábbi két diagram pedig a megfelelő keresztmetszeti nézetet mutatja. (C) Képernyőképet jelenít meg egy kváziTM gerjesztést használó szimulációról.


Feladás időpontja: 2024. július 23