Дизайнфотоннаяинтегральная схема
Фотонические интегральные схемыФотоэлектрические интерферометры (PIC) часто проектируются с помощью математических алгоритмов из-за важности длины пути в интерферометрах или других приложениях, чувствительных к длине пути.ПИКИзготавливается путем нанесения рисунка на подложку из нескольких слоев (обычно от 10 до 30), состоящих из множества многоугольных форм, часто представленных в формате GDSII. Перед отправкой файла производителю фотошаблонов крайне желательно иметь возможность смоделировать интегральную схему фотонного кристалла (ИСК) для проверки корректности конструкции. Моделирование делится на несколько уровней: самый нижний уровень — это трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование, где моделирование выполняется на субволновом уровне, хотя взаимодействие между атомами в материале обрабатывается на макроскопическом уровне. Типичные методы включают трехмерное конечно-разностное моделирование во временной области (3D FDTD) и разложение по собственным модам (EME). Эти методы являются наиболее точными, но непрактичны для всего времени моделирования ИСК. Следующий уровень — это 2,5-мерное ЭМ моделирование, такое как конечно-разностное распространение пучка (FD-BPM). Эти методы намного быстрее, но жертвуют некоторой точностью и могут обрабатывать только параксиальное распространение и не могут использоваться, например, для моделирования резонаторов. Следующий уровень — это двумерное электромагнитное моделирование, например, двумерное FDTD и двумерное BPM. Они также быстрее, но имеют ограниченную функциональность, например, не могут моделировать поляризационные ротаторы. Ещё один уровень — моделирование матрицы пропускания и/или рассеяния. Каждый основной компонент сводится к компоненту с входом и выходом, а подключенный волновод — к элементу сдвига фазы и затухания. Эти моделирования чрезвычайно быстры. Выходной сигнал получается умножением 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 в два раза больше матрицы пропускания в каждом измерении. В итоге, от трехмерного электромагнитного моделирования до моделирования матрицы пропускания/рассеяния, каждый уровень моделирования представляет собой компромисс между скоростью и точностью, и разработчики выбирают подходящий уровень моделирования для своих конкретных потребностей, чтобы оптимизировать процесс проверки проекта.
Однако, использование электромагнитного моделирования отдельных элементов и матрицы рассеяния/переноса для моделирования всей интегральной схемы не гарантирует абсолютно корректной конструкции перед технологической схемой. Например, неправильно рассчитанные длины путей, многомодовые волноводы, неэффективно подавляющие высокопорядковые моды, или два волновода, расположенные слишком близко друг к другу и приводящие к неожиданным проблемам связи, могут остаться незамеченными во время моделирования. Поэтому, хотя передовые инструменты моделирования обеспечивают мощные возможности проверки конструкции, для обеспечения точности и надежности конструкции и снижения рисков, связанных с технологической схемой, по-прежнему требуется высокая степень бдительности и тщательный контроль со стороны проектировщика, в сочетании с практическим опытом и техническими знаниями.
Метод, называемый разреженным FDTD, позволяет проводить 3D и 2D FDTD-моделирование непосредственно на полной конструкции PIC для проверки проекта. Хотя для любого инструмента электромагнитного моделирования сложно моделировать PIC очень большого масштаба, разреженный FDTD способен моделировать достаточно большую локальную область. В традиционном 3D FDTD моделирование начинается с инициализации шести компонентов электромагнитного поля в определенном квантованном объеме. По мере развития времени вычисляется новый компонент поля в объеме, и так далее. Каждый шаг требует большого количества вычислений, поэтому занимает много времени. В разреженном 3D FDTD вместо вычислений на каждом шаге в каждой точке объема поддерживается список компонентов поля, который теоретически может соответствовать произвольно большому объему и вычисляться только для этих компонентов. На каждом шаге времени добавляются точки, смежные с компонентами поля, а компоненты поля ниже определенного порогового значения мощности отбрасываются. Для некоторых структур эти вычисления могут быть на несколько порядков быстрее, чем в традиционном 3D FDTD. Однако разреженные FDTD-модели плохо работают при обработке дисперсионных структур, поскольку в этом случае поле слишком сильно рассеивается, что приводит к слишком длинным и сложным в управлении спискам. На рисунке 1 показан пример скриншота 3D FDTD-моделирования, аналогичного поляризационному разделителю лучей (PBS).
Рисунок 1: Результаты моделирования методом 3D разреженного FDTD. (A) Вид сверху моделируемой структуры, представляющей собой направленный ответвитель. (B) Скриншот моделирования с использованием квази-TE возбуждения. Две диаграммы выше показывают вид сверху сигналов квази-TE и квази-TM, а две диаграммы ниже — соответствующие поперечные сечения. (C) Скриншот моделирования с использованием квази-TM возбуждения.
Дата публикации: 23 июля 2024 г.