Dizajn odfotonskiintegrirani sklop
Fotonski integrirani krugovi(PIC) često se dizajniraju uz pomoć matematičkih skripti zbog važnosti duljine puta u interferometrima ili drugim aplikacijama koje su osjetljive na duljinu puta.SLIKAse proizvodi nanošenjem više slojeva (obično 10 do 30) na pločicu, 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 razina: najniža razina je trodimenzionalna elektromagnetska (EM) simulacija, gdje se simulacija izvodi na razini ispod valne duljine, iako se interakcije između atoma u materijalu obrađuju na makroskopskoj razini. Tipične metode uključuju trodimenzionalnu vremensku domenu s konačnom razlikom (3D FDTD) i ekspanziju svojstvenog moda (EME). Ove metode su najtočnije, ali su nepraktične za cijelo vrijeme PIC simulacije. Sljedeća razina je 2,5-dimenzionalna EM simulacija, kao što je propagacija snopa s konačnom razlikom (FD-BPM). Ove su metode mnogo brže, ali žrtvuju određenu točnost i mogu se nositi samo s paraksijalnim širenjem i ne mogu se koristiti za simulaciju rezonatora, na primjer. Sljedeća razina je 2D EM simulacija, kao što su 2D FDTD i 2D BPM. Oni su također brži, ali imaju ograničenu funkcionalnost, primjerice ne mogu simulirati polarizacijske rotatore. Daljnja razina je simulacija matrice prijenosa i/ili raspršenja. Svaka glavna komponenta svedena je na komponentu s ulazom i izlazom, a povezani valovod sveden je na fazni pomak i element prigušenja. Ove su simulacije iznimno brze. Izlazni signal dobiva se množenjem prijenosne matrice s ulaznim signalom. Matrica raspršenja (čiji se elementi nazivaju S-parametri) množi ulazne i izlazne signale s jedne strane kako bi pronašla ulazne i izlazne signale s druge strane komponente. U osnovi, matrica raspršenja sadrži refleksiju unutar elementa. Matrica raspršenja obično je dvostruko veća od matrice prijenosa u svakoj dimenziji. Ukratko, od 3D EM do simulacije matrice prijenosa/raspršenja, svaki sloj simulacije predstavlja kompromis između brzine i točnosti, a dizajneri odabiru 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 ploče protoka. Na primjer, pogrešno izračunate duljine staza, višemodni valovod koji ne uspijeva učinkovito potisnuti modove visokog reda ili dva valovoda koji su preblizu jedan drugome što dovodi do neočekivanih problema spajanja vjerojatno će proći neotkriveno tijekom simulacije. Stoga, iako napredni alati za simulaciju pružaju snažne mogućnosti provjere valjanosti dizajna, još uvijek 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 shema toka.
Tehnika koja se naziva rijetki FDTD omogućuje izvođenje 3D i 2D FDTD simulacija izravno na kompletnom PIC dizajnu kako bi se potvrdio dizajn. Iako je bilo kojem alatu za elektromagnetsku simulaciju teško simulirati PIC vrlo velikih razmjera, rijetki FDTD može simulirati prilično veliko lokalno područje. U tradicionalnom 3D FDTD-u, simulacija počinje inicijalizacijom šest komponenti elektromagnetskog polja unutar specifičnog kvantiziranog volumena. Kako vrijeme odmiče, nova komponenta polja u volumenu se izračunava, i tako dalje. Svaki korak zahtijeva puno kalkulacije, pa traje dugo. U rijetkom 3D FDTD-u, umjesto izračunavanja u svakom koraku u svakoj točki volumena, održava se popis komponenti polja koje teoretski mogu odgovarati proizvoljno velikom volumenu i izračunati samo za te komponente. U svakom vremenskom koraku dodaju se točke uz komponente polja, dok se komponente polja ispod određenog praga snage ispuštaju. Za neke strukture ovo izračunavanje može biti nekoliko redova veličine brže od tradicionalnog 3D FDTD-a. Međutim, rijetki FDTDS nemaju dobre rezultate kada se radi s disperzivnim strukturama jer se ovo vremensko polje previše širi, što rezultira predugim popisima i njima je teško upravljati. Slika 1 prikazuje primjer snimke zaslona 3D FDTD simulacije slične polarizacijskom razdjelniku snopa (PBS).
Slika 1: Rezultati simulacije iz 3D rijetkog FDTD-a. (A) je pogled odozgo na strukturu koja se simulira, a koja je usmjerena spojnica. (B) Prikazuje snimak zaslona simulacije koja koristi kvazi-TE pobudu. Dva gornja dijagrama prikazuju pogled odozgo na kvazi-TE i kvazi-TM signale, a dva dijagrama ispod prikazuju odgovarajući pogled u presjeku. (C) Prikazuje snimak zaslona simulacije koja koristi kvazi-TM pobudu.
Vrijeme objave: 23. srpnja 2024