Дизайнфотонныйинтегральная схема
Фотонные интегральные схемы(PIC) часто разрабатываются с помощью математических сценариев из-за важности длины пути в интерферометрах или других приложениях, чувствительных к длине пути.ПОСизготавливается путем нанесения нескольких слоев (обычно от 10 до 30) на пластину, которая состоит из множества многоугольных форм, часто представленных в формате GDSII. Прежде чем отправлять файл производителю фотомаски, крайне желательно иметь возможность смоделировать ПОС, чтобы убедиться в правильности конструкции. Моделирование разделено на несколько уровней: самый низкий уровень — это трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование, где моделирование выполняется на субволновом уровне, хотя взаимодействия между атомами в материале обрабатываются на макроскопическом уровне. Типичные методы включают трехмерный временной интервал с конечной разностью (3D FDTD) и расширение собственных мод (EME). Эти методы являются наиболее точными, но непрактичны для всего времени моделирования ПОС. Следующий уровень — 2,5-мерное ЭМ-моделирование, такое как распространение луча с конечной разностью (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 2D EM-моделирование, такое как 2D FDTD и 2D BPM. Они также быстрее, но имеют ограниченную функциональность, например, не могут имитировать 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 ослабления. Эти симуляции очень быстрые. Выходной сигнал получается путем умножения матрицы передачи на входной сигнал. Матрица рассеяния (элементы которой называются S-параметрами) умножает входные и выходные сигналы с одной стороны, чтобы найти входные и выходные 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. Подводя итог, можно сказать, что от 3D-ЭМ до моделирования матрицы пропускания/рассеяния каждый уровень моделирования представляет собой компромисс между скоростью и точностью, и проектировщики выбирают правильный уровень моделирования для своих конкретных потребностей, чтобы оптимизировать процесс проверки проекта.
Однако опора на электромагнитное моделирование определенных элементов и использование матрицы рассеяния/переноса для моделирования всего PIC не гарантирует полностью правильную конструкцию перед пластиной потока. Например, неправильно рассчитанные длины путей, многомодовые волноводы, которые не могут эффективно подавлять моды высокого порядка, или два волновода, расположенные слишком близко друг к другу, что приводит к неожиданным проблемам связи, скорее всего, останутся незамеченными во время моделирования. Таким образом, хотя передовые инструменты моделирования предоставляют мощные возможности проверки проекта, они по-прежнему требуют высокой степени бдительности и тщательного контроля со стороны проектировщика в сочетании с практическим опытом и техническими знаниями, чтобы гарантировать точность и надежность проекта и снизить риск расходная ведомость.
Метод, называемый разреженным FDTD, позволяет выполнять 3D- и 2D-моделирование FDTD непосредственно на полной конструкции PIC для проверки конструкции. Хотя любому инструменту электромагнитного моделирования сложно смоделировать очень крупномасштабный PIC, разреженный FDTD способен моделировать довольно большую локальную область. В традиционном 3D FDTD моделирование начинается с инициализации шести компонентов электромагнитного поля в определенном квантованном объеме. С течением времени вычисляется новый компонент поля в объеме и так далее. Каждый шаг требует большого количества вычислений, поэтому это занимает много времени. В разреженном 3D FDTD вместо вычислений на каждом шаге в каждой точке объема поддерживается список компонентов поля, которые теоретически могут соответствовать сколь угодно большому объему и рассчитываться только для этих компонентов. На каждом временном шаге добавляются точки, соседние с компонентами поля, а компоненты поля ниже определенного порога мощности отбрасываются. Для некоторых структур эти вычисления могут быть на несколько порядков быстрее, чем традиционное 3D FDTD. Однако разреженная FDTDS не очень хорошо работает при работе с дисперсионными структурами, поскольку это временное поле слишком сильно расширяется, что приводит к слишком длинным спискам, которыми трудно управлять. На рисунке 1 показан пример трехмерного моделирования FDTD, аналогичного поляризационному светоделителю (PBS).
Рисунок 1: Результаты моделирования с помощью 3D разреженного FDTD. (A) — вид сверху моделируемой конструкции, представляющей собой направленный ответвитель. (B) Показан снимок экрана моделирования с использованием квази-TE возбуждения. На двух диаграммах выше показан вид сверху сигналов квази-TE и квази-TM, а на двух диаграммах ниже показан соответствующий вид в разрезе. (C) Показан снимок экрана моделирования с использованием квази-TM возбуждения.
Время публикации: 23 июля 2024 г.