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 многоугольных форм, часто представленных в формате GDSII. Перед отправкой файла производителю фотошаблона настоятельно желательно иметь возможность моделировать PIC, чтобы проверить правильность конструкции. Моделирование делится на несколько уровней: самый низкий уровень — это трехмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование, где моделирование выполняется на уровне субволновой длины, хотя взаимодействия между атомами в материале обрабатываются в макроскопическом масштабе. Типичные методы включают трехмерное конечно-разностное временное расширение (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 намного быстрее, но жертвуют некоторой точностью и могут обрабатывать только параксиальное распространение и не могут использоваться для моделирования резонаторов, например. Следующий уровень — это 2D EM моделирование, такое как 2D FDTD и 2D BPM. Они также быстрее, но имеют ограниченную функциональность, например, они не могут моделировать вращатели поляризации. Следующий уровень — это 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. Эти моделирования чрезвычайно быстры. 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 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 в соответствии со своими конкретными потребностями для оптимизации процесса проверки проекта.
Однако опора на электромагнитное моделирование определенных элементов и использование матрицы рассеяния/передачи для моделирования всего PIC не гарантирует полностью правильной конструкции перед пластиной потока. Например, неправильно рассчитанные длины путей, многомодовые волноводы, которые не могут эффективно подавить моды высокого порядка, или два волновода, которые находятся слишком близко друг к другу, что приводит к неожиданным проблемам со связью, скорее всего, останутся незамеченными во время моделирования. Поэтому, хотя передовые инструменты моделирования предоставляют мощные возможности проверки конструкции, все равно требуется высокая степень бдительности и тщательного осмотра со стороны проектировщика в сочетании с практическим опытом и техническими знаниями, чтобы гарантировать точность и надежность конструкции и снизить риск технологической схемы.
Метод, называемый разреженным FDTD, позволяет выполнять 3D- и 2D-моделирование FDTD непосредственно на полной конструкции PIC для проверки конструкции. Хотя для любого инструмента электромагнитного моделирования сложно смоделировать очень крупномасштабную 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 он занимает много времени. В разреженном 3D FDTD вместо вычисления на каждом шаге в каждой точке объема поддерживается список компонентов поля, который теоретически может соответствовать произвольно большому объему и быть рассчитан только для этих компонентов. На каждом временном шаге добавляются точки, смежные с компонентами поля, в то время как компоненты поля ниже определенного порога мощности отбрасываются. Для некоторых структур это вычисление может быть на несколько порядков быстрее, чем традиционное 3D FDTD. Однако разреженные FDTDS не очень хорошо работают при работе с дисперсионными структурами, поскольку это временное поле слишком сильно распространяется, что приводит к слишком длинным и сложным в управлении спискам. На рисунке 1 показан пример снимка экрана 3D-моделирования FDTD, похожего на поляризационный расщепитель пучка (PBS).
Рисунок 1: Результаты моделирования с помощью 3D разреженного FDTD. (A) — вид сверху моделируемой структуры, которая является направленным ответвителем. (B) Показывает снимок экрана моделирования с использованием квази-TE возбуждения. Две диаграммы выше показывают вид сверху квази-TE и квази-TM сигналов, а две диаграммы ниже показывают соответствующий вид поперечного сечения. (C) Показывает снимок экрана моделирования с использованием квази-TM возбуждения.
Время публикации: 23 июля 2024 г.