Дизайнфотонныйинтегральная схема
Фотонные интегральные схемы(PIC) часто проектируются с помощью математических скриптов из-за важности длины пути в интерферометрах или других приложениях, чувствительных к длине пути.ПИКизготавливается путем нанесения нескольких слоев (обычно от 10 до 30) на пластину, которые состоят из множества полигональных форм, часто представленных в формате GDSII. Перед отправкой файла производителю фотошаблона настоятельно желательно иметь возможность смоделировать PIC, чтобы проверить правильность конструкции. Моделирование делится на несколько уровней: самый низкий уровень - это трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование, где моделирование выполняется на уровне субволнового диапазона, хотя взаимодействия между атомами в материале обрабатываются в макроскопическом масштабе. Типичные методы включают трехмерное конечно-разностное временное разложение (3D FDTD) и разложение по собственным модам (EME). Эти методы являются наиболее точными, но непрактичны для всего времени моделирования PIC. Следующий уровень - 2,5-мерное ЭМ моделирование, такое как конечно-разностное распространение пучка (FD-BPM). Эти методы гораздо быстрее, но жертвуют некоторой точностью, могут обрабатывать только параксиальное распространение и не могут быть использованы, например, для моделирования резонаторов. Следующий уровень — двумерное электромагнитное моделирование, такое как двумерное FDTD и двумерное BPM. Они также быстрее, но имеют ограниченную функциональность, например, не могут моделировать вращатели поляризации. Следующий уровень — моделирование матрицы пропускания и/или рассеяния. Каждый основной компонент сводится к компоненту с входом и выходом, а подключенный волновод сводится к элементу фазового сдвига и затухания. Такое моделирование чрезвычайно быстрое. Выходной сигнал получается путем умножения матрицы пропускания на входной сигнал. Матрица рассеяния (элементы которой называются S-параметрами) умножает входной и выходной сигналы с одной стороны, чтобы найти входной и выходной сигналы с другой стороны компонента. По сути, матрица рассеяния содержит отражение внутри элемента. Матрица рассеяния обычно вдвое больше матрицы пропускания в каждом измерении. Подводя итог, можно сказать, что каждый уровень моделирования, от 3D ЭМ до моделирования матрицы пропускания/рассеяния, представляет собой компромисс между скоростью и точностью, и проектировщики выбирают правильный уровень моделирования в соответствии со своими конкретными потребностями, чтобы оптимизировать процесс проверки проекта.
Однако опора на электромагнитное моделирование отдельных элементов и использование матрицы рассеяния/передачи для моделирования всего PIC не гарантирует абсолютно корректную конструкцию перед пластиной потока. Например, неверно рассчитанные длины путей, многомодовые волноводы, не обеспечивающие эффективного подавления мод высокого порядка, или два волновода, расположенные слишком близко друг к другу, что приводит к неожиданным проблемам со связью, вероятно, останутся незамеченными в процессе моделирования. Поэтому, хотя передовые инструменты моделирования предоставляют мощные возможности для проверки конструкции, от разработчика по-прежнему требуется высокая степень бдительности и тщательного контроля в сочетании с практическим опытом и техническими знаниями для обеспечения точности и надежности конструкции и снижения риска, связанного с технологической схемой.
Метод, называемый разреженным FDTD, позволяет проводить трёхмерное и двумерное моделирование FDTD непосредственно на готовой конструкции PIC для проверки её эффективности. Хотя для любого инструмента электромагнитного моделирования сложно моделировать очень крупномасштабные PIC, разреженный FDTD способен моделировать довольно большую локальную область. В традиционном трёхмерном FDTD моделирование начинается с инициализации шести компонент электромагнитного поля в определённом квантованном объёме. С течением времени рассчитывается новая компонента поля в объёме, и так далее. Каждый шаг требует большого объёма вычислений, поэтому процесс занимает много времени. В разреженном трёхмерном FDTD вместо расчётов на каждом шаге в каждой точке объёма ведётся список компонент поля, который теоретически может соответствовать произвольно большому объёму и быть рассчитан только для этих компонентов. На каждом временном шаге добавляются точки, смежные с компонентами поля, в то время как компоненты поля ниже определённого порогового значения мощности отбрасываются. Для некоторых структур это вычисление может быть на несколько порядков быстрее, чем в традиционном трёхмерном FDTD. Однако разреженные модели FDTDS неэффективны при работе с дисперсионными структурами, поскольку это временное поле слишком сильно размывается, что приводит к слишком длинным и сложным в управлении спискам. На рисунке 1 показан пример скриншота трёхмерной модели FDTD, аналогичной поляризационному расщепителю пучка (PBS).
Рисунок 1: Результаты моделирования с помощью трёхмерного разреженного FDTD. (A) — вид сверху моделируемой структуры, представляющей собой направленный ответвитель. (B) — скриншот моделирования с использованием квази-TE возбуждения. На двух диаграммах выше показан вид сверху на квази-TE и квази-TM сигналы, а на двух диаграммах ниже — соответствующие поперечные сечения. (C) — скриншот моделирования с использованием квази-TM возбуждения.
Время публикации: 23 июля 2024 г.