Ontwerp van fotoniese geïntegreerde stroombaan

Ontwerp vanfotoniesgeïntegreerde stroombaan

Fotoniese geïntegreerde stroombane(PIC) word dikwels met behulp van wiskundige skrifte ontwerp as gevolg van die belangrikheid van padlengte in interferometers of ander toepassings wat sensitief is vir padlengte.PICword vervaardig deur veelvuldige lae (tipies 10 tot 30) op 'n wafel te plak, wat saamgestel is uit baie veelhoekige vorms, wat dikwels in die GDSII-formaat voorgestel word. 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 veelvuldige vlakke verdeel: die laagste vlak is die driedimensionele elektromagnetiese (EM) simulasie, waar die simulasie op die sub-golflengtevlak uitgevoer word, alhoewel 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 paraaksiale voortplanting hanteer en kan nie gebruik word om byvoorbeeld 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, soos hulle nie polarisasie-rotators kan simuleer nie. 'n Verdere vlak is transmissie- en/of verstrooiingsmatrikssimulasie. Elke hoofkomponent word gereduseer tot 'n komponent met inset en uitset, en die gekoppelde golfleier word gereduseer tot 'n faseverskuiwing en verswakkingselement. Hierdie simulasies is uiters vinnig. Die uitsetsein word verkry deur die transmissiematriks met die insetsein te vermenigvuldig. Die verstrooiingsmatriks (wie se elemente S-parameters genoem word) vermenigvuldig die inset- en uitsetseine aan die een kant om die inset- en uitsetseine aan die ander kant van die komponent te vind. Basies bevat die verstrooiingsmatriks die refleksie binne die element. Die verstrooiingsmatriks is gewoonlik twee keer so groot as die transmissiematriks in elke dimensie. Samevattend, van 3D EM tot transmissie/verstrooiingsmatrikssimulasie, bied elke laag simulasie 'n afweging tussen spoed en akkuraatheid, en ontwerpers kies die regte vlak van simulasie vir hul spesifieke behoeftes om die ontwerpvalideringsproses te optimaliseer.

Die staatmaak op elektromagnetiese simulasie van sekere elemente en die gebruik van 'n verstrooiings-/oordragmatriks om die hele PIC te simuleer, waarborg egter nie 'n heeltemal korrekte ontwerp voor die vloeiplaat nie. Byvoorbeeld, verkeerd berekende padlengtes, multimodus golfleiers wat nie daarin slaag om hoë-orde modusse effektief te onderdruk nie, of twee golfleiers wat te naby aan mekaar is wat tot onverwagte koppelingsprobleme lei, sal waarskynlik onopgemerk word tydens simulasie. 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 vloeiblad.

'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 bekragtig. Alhoewel dit moeilik is vir enige elektromagnetiese simulasie-instrument om 'n baie groot skaal 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 inisialiseer. Soos die tyd vorder, word die nuwe veldkomponent in die volume bereken, ensovoorts. Elke stap verg baie berekening, so dit neem 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 gehandhaaf wat teoreties kan ooreenstem met 'n arbitrêr groot volume en slegs vir daardie komponente bereken kan word. By elke tydstap word punte aangrensend aan veldkomponente bygevoeg, terwyl veldkomponente onder 'n sekere drywingsdrempel laat val word. Vir sommige strukture kan hierdie berekening verskeie ordes van grootte vinniger wees as tradisionele 3D FDTD. Skaars FDTDS presteer egter nie goed wanneer dit met verspreide strukture te doen het nie, want hierdie tydveld versprei te veel, 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 polarisasiestraalverdeler (PBS).

Figuur 1: Simulasie resultate van 3D yl FDTD. (A) is 'n boaansig van die struktuur wat gesimuleer word, wat 'n rigtingkoppelaar is. (B) Toon 'n skermskoot van 'n simulasie wat kwasi-TE-opwekking gebruik. Die twee diagramme hierbo toon die boaansig van die kwasi-TE- en kwasi-TM-seine, en die twee diagramme hieronder toon die ooreenstemmende deursnee-aansig. (C) Toon 'n skermskoot van 'n simulasie wat kwasi-TM-opwekking gebruik.


Pos tyd: Jul-23-2024