Entwurf eines photonischen integrierten Schaltkreises

Gestaltung vonphotonischintegrierte Schaltung

Photonische integrierte Schaltkreise(PIC) werden aufgrund der Bedeutung der Pfadlänge in Interferometern oder anderen Anwendungen, die empfindlich auf die Pfadlänge reagieren, häufig mithilfe mathematischer Skripte entworfen.Bildwird hergestellt, indem mehrere Schichten (typischerweise 10 bis 30) auf einen Wafer aufgetragen werden, die aus vielen polygonalen Formen bestehen, die oft im GDSII-Format dargestellt werden. Bevor Sie die Datei an den Fotomaskenhersteller senden, ist es unbedingt wünschenswert, den PIC simulieren zu können, um die Richtigkeit des Designs zu überprüfen. Die Simulation ist in mehrere Ebenen unterteilt: Die unterste Ebene ist die dreidimensionale elektromagnetische (EM) Simulation, bei der die Simulation auf der Subwellenlängenebene durchgeführt wird, obwohl die Wechselwirkungen zwischen Atomen im Material auf der makroskopischen Ebene behandelt werden. Zu den typischen Methoden gehören die dreidimensionale Finite-Differenzen-Zeitdomäne (3D FDTD) und die Eigenmodenerweiterung (EME). Diese Methoden sind die genauesten, aber für die gesamte PIC-Simulationszeit unpraktisch. Die nächste Ebene ist die 2,5-dimensionale EM-Simulation, beispielsweise die Finite-Differenzen-Strahlausbreitung (FD-BPM). Diese Methoden sind viel schneller, opfern jedoch etwas Genauigkeit und können nur die paraxiale Ausbreitung bewältigen und können beispielsweise nicht zur Simulation von Resonatoren verwendet werden. Die nächste Ebene ist die 2D-EM-Simulation, wie 2D-FDTD und 2D-BPM. Diese sind ebenfalls schneller, verfügen jedoch über eingeschränkte Funktionalität, da sie beispielsweise keine Polarisationsrotatoren simulieren können. Eine weitere Ebene ist die Transmissions- und/oder Streumatrixsimulation. Jede Hauptkomponente wird auf eine Komponente mit Eingang und Ausgang reduziert, und der angeschlossene Wellenleiter wird auf ein Phasenverschiebungs- und Dämpfungselement reduziert. Diese Simulationen sind extrem schnell. Das Ausgangssignal wird durch Multiplikation der Übertragungsmatrix mit dem Eingangssignal erhalten. Die Streumatrix (deren Elemente S-Parameter genannt werden) multipliziert die Eingangs- und Ausgangssignale auf einer Seite, um die Eingangs- und Ausgangssignale auf der anderen Seite der Komponente zu ermitteln. Grundsätzlich enthält die Streumatrix die Reflexion innerhalb des Elements. Die Streumatrix ist in jeder Dimension normalerweise doppelt so groß wie die Transmissionsmatrix. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede Simulationsebene von der 3D-EM bis zur Transmissions-/Streumatrixsimulation einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit darstellt und Designer die richtige Simulationsebene für ihre spezifischen Anforderungen auswählen, um den Designvalidierungsprozess zu optimieren.

Wenn man sich jedoch auf die elektromagnetische Simulation bestimmter Elemente verlässt und eine Streuungs-/Übertragungsmatrix zur Simulation des gesamten PIC verwendet, ist kein völlig korrektes Design vor der Strömungsplatte gewährleistet. Beispielsweise bleiben falsch berechnete Pfadlängen, Multimode-Wellenleiter, die Moden höherer Ordnung nicht effektiv unterdrücken, oder zwei Wellenleiter, die zu nahe beieinander liegen, was zu unerwarteten Kopplungsproblemen führt, während der Simulation wahrscheinlich unentdeckt. Obwohl fortschrittliche Simulationstools leistungsstarke Funktionen zur Entwurfsvalidierung bieten, erfordert es daher dennoch ein hohes Maß an Wachsamkeit und sorgfältiger Prüfung durch den Designer, kombiniert mit praktischer Erfahrung und technischem Wissen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Entwurfs sicherzustellen und das Risiko von zu verringern Flussdiagramm.

Eine als Sparse-FDTD bezeichnete Technik ermöglicht die direkte Durchführung von 3D- und 2D-FDTD-Simulationen an einem vollständigen PIC-Design, um das Design zu validieren. Obwohl es für jedes elektromagnetische Simulationstool schwierig ist, einen PIC in sehr großem Maßstab zu simulieren, ist die spärliche FDTD in der Lage, einen ziemlich großen lokalen Bereich zu simulieren. Bei der herkömmlichen 3D-FDTD beginnt die Simulation mit der Initialisierung der sechs Komponenten des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines bestimmten quantisierten Volumens. Mit fortschreitender Zeit wird die neue Feldkomponente im Volumen berechnet und so weiter. Jeder Schritt erfordert viel Berechnung und dauert daher lange. Bei der spärlichen 3D-FDTD wird nicht bei jedem Schritt an jedem Punkt des Volumens berechnet, sondern eine Liste von Feldkomponenten verwaltet, die theoretisch einem beliebig großen Volumen entsprechen und nur für diese Komponenten berechnet werden kann. Bei jedem Zeitschritt werden an Feldkomponenten angrenzende Punkte hinzugefügt, während Feldkomponenten unterhalb eines bestimmten Leistungsschwellenwerts gelöscht werden. Bei einigen Strukturen kann diese Berechnung mehrere Größenordnungen schneller sein als die herkömmliche 3D-FDTD. Allerdings sind Sparse-FDTDS bei der Arbeit mit dispersiven Strukturen nicht gut geeignet, da sich dieses Zeitfeld zu stark ausdehnt, was zu zu langen und schwierig zu verwaltenden Listen führt. Abbildung 1 zeigt einen Beispiel-Screenshot einer 3D-FDTD-Simulation ähnlich einem Polarisationsstrahlteiler (PBS).

Abbildung 1: Simulationsergebnisse von 3D-FDTD mit geringer Dichte. (A) ist eine Draufsicht der simulierten Struktur, bei der es sich um einen Richtkoppler handelt. (B) Zeigt einen Screenshot einer Simulation mit Quasi-TE-Anregung. Die beiden Diagramme oben zeigen die Draufsicht der Quasi-TE- und Quasi-TM-Signale und die beiden Diagramme unten zeigen die entsprechende Querschnittsansicht. (C) Zeigt einen Screenshot einer Simulation mit Quasi-TM-Anregung.