Ontwerp vanfotoniesegeïntegreerde stroombaan
Fotoniese geïntegreerde stroombane(PIC) word dikwels ontwerp met behulp van wiskundige skrifte as gevolg van die belangrikheid van padlengte in interferometers of ander toepassings wat sensitief is vir padlengte.PICword vervaardig deur verskeie lae (tipies 10 tot 30) op 'n wafer te patroon, wat uit baie veelhoekige vorms bestaan, dikwels voorgestel in die GDSII-formaat. Voordat die lêer na die fotomaskervervaardiger gestuur word, is dit sterk wenslik om die PIC te kan simuleer om die korrektheid van die ontwerp te verifieer. Die simulasie word in verskeie vlakke verdeel: die laagste vlak is die driedimensionele elektromagnetiese (EM) simulasie, waar die simulasie op die subgolflengtevlak uitgevoer word, hoewel die interaksies tussen atome in die materiaal op die makroskopiese skaal hanteer word. Tipiese metodes sluit in driedimensionele eindige-verskil Tyddomein (3D FDTD) en eiemodus-uitbreiding (EME). Hierdie metodes is die akkuraatste, maar is onprakties vir die hele PIC-simulasietyd. Die volgende vlak is 2.5-dimensionele EM-simulasie, soos eindige-verskil bundelvoortplanting (FD-BPM). Hierdie metodes is baie vinniger, maar offer 'n mate van akkuraatheid op en kan slegs paraksiale voortplanting hanteer en kan byvoorbeeld nie gebruik word om resonators te simuleer nie. Die volgende vlak is 2D EM-simulasie, soos 2D FDTD en 2D BPM. Hierdie is ook vinniger, maar het beperkte funksionaliteit, aangesien hulle nie polarisasierotators kan simuleer nie. 'n Verdere vlak is transmissie- en/of verstrooiingsmatriksimulasie. Elke hoofkomponent word gereduseer tot 'n komponent met invoer en uitvoer, en die gekoppelde golfgeleier word gereduseer tot 'n faseverskuiwings- en verswakkingselement. Hierdie simulasies is uiters vinnig. Die uitsetsein word verkry deur die transmissiematriks met die insetsein te vermenigvuldig. Die verstrooiingsmatriks (waarvan die elemente S-parameters genoem word) vermenigvuldig die invoer- en uitsetseine aan die een kant om die invoer- en uitsetseine aan die ander kant van die komponent te vind. Basies bevat die verstrooiingsmatriks die weerkaatsing binne die element. Die verstrooiingsmatriks is gewoonlik twee keer so groot soos die transmissiematriks in elke dimensie. Samevattend, van 3D EM tot transmissie-/verspreidingsmatriksimulasie, bied elke laag van simulasie 'n afweging tussen spoed en akkuraatheid, en ontwerpers kies die regte vlak van simulasie vir hul spesifieke behoeftes om die ontwerpvalideringsproses te optimaliseer.
Om egter op elektromagnetiese simulasie van sekere elemente staat te maak en 'n verstrooiings-/oordragmatriks te gebruik om die hele PIC te simuleer, waarborg nie 'n heeltemal korrekte ontwerp voor die vloeiplaat nie. Byvoorbeeld, verkeerd berekende padlengtes, multimodus-golfgidse wat nie daarin slaag om hoë-orde modusse effektief te onderdruk nie, of twee golfgidse wat te naby aan mekaar is wat lei tot onverwagte koppelprobleme, sal waarskynlik tydens simulasie onopgemerk bly. Daarom, alhoewel gevorderde simulasie-instrumente kragtige ontwerpvalideringsvermoëns bied, vereis dit steeds 'n hoë mate van waaksaamheid en noukeurige inspeksie deur die ontwerper, gekombineer met praktiese ervaring en tegniese kennis, om die akkuraatheid en betroubaarheid van die ontwerp te verseker en die risiko van die vloeiplaat te verminder.
'n Tegniek genaamd yl FDTD laat toe dat 3D- en 2D FDTD-simulasies direk op 'n volledige PIC-ontwerp uitgevoer word om die ontwerp te valideer. Alhoewel dit moeilik is vir enige elektromagnetiese simulasie-instrument om 'n baie grootskaalse PIC te simuleer, is die yl FDTD in staat om 'n redelik groot plaaslike area te simuleer. In tradisionele 3D FDTD begin die simulasie deur die ses komponente van die elektromagnetiese veld binne 'n spesifieke gekwantiseerde volume te initialiseer. Soos die tyd vorder, word die nuwe veldkomponent in die volume bereken, ensovoorts. Elke stap vereis baie berekening, dus neem dit lank. In yl 3D FDTD, in plaas daarvan om by elke stap by elke punt van die volume te bereken, word 'n lys van veldkomponente bygehou wat teoreties kan ooreenstem met 'n arbitrêr groot volume en slegs vir daardie komponente bereken word. By elke tydstap word punte langs veldkomponente bygevoeg, terwyl veldkomponente onder 'n sekere kragdrempel weggelaat word. Vir sommige strukture kan hierdie berekening verskeie ordes van grootte vinniger wees as tradisionele 3D FDTD. Yl FDTDS presteer egter nie goed wanneer dit met dispersiewe strukture werk nie, omdat hierdie tydveld te veel versprei, wat lei tot lyste wat te lank en moeilik is om te bestuur. Figuur 1 toon 'n voorbeeldskermkiekie van 'n 3D FDTD-simulasie soortgelyk aan 'n polarisasiestraalsplitser (PBS).
Figuur 1: Simulasieresultate van 3D yl FDTD. (A) is 'n bo-aansig van die struktuur wat gesimuleer word, wat 'n rigtingkoppelaar is. (B) Toon 'n skermkiekie van 'n simulasie met behulp van kwasi-TE-opwekking. Die twee diagramme hierbo toon die bo-aansig van die kwasi-TE- en kwasi-TM-seine, en die twee diagramme hieronder toon die ooreenstemmende dwarssnit-aansig. (C) Toon 'n skermkiekie van 'n simulasie met behulp van kwasi-TM-opwekking.
Plasingstyd: 23 Julie 2024