Dizajnfotonskiintegrirani krug
Fotonski integrirani krugovi(PIC) se često dizajniraju uz pomoć matematičkih skripti zbog važnosti duljine puta u interferometrima ili drugim primjenama koje su osjetljive na duljinu puta.PICproizvodi se nanošenjem više slojeva (obično 10 do 30) na pločicu, koji se sastoje od mnogih poligonalnih oblika, često predstavljenih u GDSII formatu. Prije slanja datoteke proizvođaču fotomaske, poželjno je moći simulirati PIC kako bi se provjerila ispravnost dizajna. Simulacija je podijeljena na više razina: najniža razina je trodimenzionalna elektromagnetska (EM) simulacija, gdje se simulacija izvodi na razini podvalne duljine, iako se interakcije između atoma u materijalu obrađuju na makroskopskoj skali. Tipične metode uključuju trodimenzionalnu vremensku domenu s konačnim razlikama (3D FDTD) i ekspanziju svojstvenog moda (EME). Ove metode su najtočnije, ali su nepraktične za cijelo vrijeme simulacije PIC-a. Sljedeća razina je 2,5-dimenzionalna EM simulacija, kao što je propagacija snopa konačnih razlika (FD-BPM). Ove metode su mnogo brže, ali žrtvuju određenu točnost i mogu se nositi samo s paraksijalnom propagacijom te se ne mogu koristiti za simulaciju rezonatora, na primjer. Sljedeća razina je 2D EM simulacija, kao što su 2D FDTD i 2D BPM. One su također brže, ali imaju ograničenu funkcionalnost, poput toga da ne mogu simulirati rotatore polarizacije. Daljnja razina je simulacija matrice prijenosa i/ili raspršenja. Svaka glavna komponenta svodi se na komponentu s ulazom i izlazom, a povezani valovod se svodi na element faznog pomaka i slabljenja. Ove simulacije su izuzetno brze. Izlazni signal dobiva se množenjem matrice prijenosa ulaznim signalom. Matrica raspršenja (čiji se elementi nazivaju S-parametri) množi ulazne i izlazne signale s jedne strane kako bi se pronašli ulazni i izlazni signali s druge strane 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 točnosti, a dizajneri biraju pravu razinu simulacije za svoje specifične potrebe kako bi optimizirali proces validacije dizajna.
Međutim, oslanjanje na elektromagnetsku simulaciju određenih elemenata i korištenje matrice raspršenja/prijenosa za simulaciju cijelog PIC-a ne jamči potpuno ispravan dizajn ispred protočne ploče. Na primjer, pogrešno izračunate duljine puta, višemodni valovodi koji ne uspijevaju učinkovito potisnuti modove višeg reda ili dva valovoda koja su preblizu jedan drugome što dovodi do neočekivanih problema s povezivanjem vjerojatno neće biti otkriveni tijekom simulacije. Stoga, iako napredni alati za simulaciju pružaju snažne mogućnosti validacije dizajna, i dalje je potreban visok stupanj budnosti i pažljiv pregled od strane dizajnera, u kombinaciji s praktičnim iskustvom i tehničkim znanjem, kako bi se osigurala točnost i pouzdanost dizajna te smanjio rizik od protočne sheme.
Tehnika nazvana rijetka FDTD omogućuje izravno izvođenje 3D i 2D FDTD simulacija na kompletnom PIC dizajnu kako bi se validirao dizajn. Iako je bilo kojem alatu za elektromagnetsku simulaciju teško simulirati PIC vrlo velikih razmjera, rijetka FDTD je u stanju simulirati prilično veliko lokalno područje. U tradicionalnoj 3D FDTD, simulacija započinje inicijalizacijom šest komponenti elektromagnetskog polja unutar određenog kvantiziranog volumena. Kako vrijeme prolazi, izračunava se nova komponenta polja u volumenu i tako dalje. Svaki korak zahtijeva puno izračuna, pa je potrebno puno vremena. U rijetkoj 3D FDTD, umjesto izračuna u svakom koraku u svakoj točki volumena, održava se popis komponenti polja koji teoretski može odgovarati proizvoljno velikom volumenu i može se izračunati samo za te komponente. U svakom vremenskom koraku dodaju se točke 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-a. Međutim, rijetki FDTDS-i ne pokazuju dobre rezultate pri radu s disperzivnim strukturama jer se ovo vremensko polje previše širi, što rezultira predugim i teškim popisima za upravljanje. Slika 1 prikazuje primjer snimke zaslona 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 snimku zaslona simulacije korištenjem kvazi-TE pobude. Dva dijagrama iznad prikazuju pogled odozgo na kvazi-TE i kvazi-TM signale, a dva dijagrama ispod prikazuju odgovarajući presjek. (C) Prikazuje snimku zaslona simulacije korištenjem kvazi-TM pobude.
Vrijeme objave: 23. srpnja 2024.