Gestaltung vonphotonischeIntegrierter Schaltkreis
Photonische integrierte Schaltkreise(PIC) werden häufig mithilfe mathematischer Skripte entworfen, da die Weglänge bei Interferometern oder anderen Anwendungen, bei denen die Weglänge eine Rolle spielt, eine wichtige Rolle spielt.Bildwird durch das Aufbringen mehrerer Schichten (normalerweise 10 bis 30) auf einen Wafer hergestellt, die aus vielen polygonalen Formen bestehen und oft im GDSII-Format dargestellt werden. Bevor die Datei an den Fotomaskenhersteller gesendet wird, ist es unbedingt erforderlich, 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 Subwellenlängenebene durchgeführt wird, obwohl die Wechselwirkungen zwischen den Atomen im Material auf makroskopischer Ebene behandelt werden. Typische Methoden sind die dreidimensionale Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulation (3D-FDTD) und die Eigenmodenerweiterung (EME). Diese Methoden sind am genauesten, aber für die gesamte PIC-Simulationszeit unpraktisch. Die nächste Ebene ist die 2,5-dimensionale EM-Simulation, wie z. B. die Finite-Differenzen-Strahlausbreitung (FD-BPM). Diese Methoden sind viel schneller, verlieren aber etwas an Genauigkeit und können nur die paraxiale Ausbreitung verarbeiten und eignen sich beispielsweise nicht zur Simulation von Resonatoren. Die nächste Ebene ist die 2D-EM-Simulation, wie z. B. 2D-FDTD und 2D-BPM. Diese sind ebenfalls schneller, verfügen jedoch über eingeschränkte Funktionalität, z. B. können sie keine Polarisationsdreher simulieren. 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 Transmissionsmatrix mit dem Eingangssignal erhalten. Die Streumatrix (deren Elemente als S-Parameter bezeichnet werden) multipliziert die Eingangs- und Ausgangssignale auf der einen Seite, um die Eingangs- und Ausgangssignale auf der anderen Seite der Komponente zu ermitteln. Im Wesentlichen enthält die Streumatrix die Reflexion innerhalb des Elements. Die Streumatrix ist in jeder Dimension üblicherweise 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. Designer wählen daher die für ihre spezifischen Anforderungen passende Simulationsebene, um den Designvalidierungsprozess zu optimieren.
Die elektromagnetische Simulation bestimmter Elemente und die Verwendung einer Streu-/Transfermatrix zur Simulation des gesamten PIC garantieren jedoch kein vollständig korrektes Design vor der Strömungsplatte. Beispielsweise bleiben falsch berechnete Pfadlängen, Multimode-Wellenleiter, die höhere Moden nicht effektiv unterdrücken, oder zwei zu nahe beieinander liegende Wellenleiter, die zu unerwarteten Kopplungsproblemen führen, während der Simulation wahrscheinlich unentdeckt. Obwohl moderne Simulationswerkzeuge leistungsstarke Möglichkeiten zur Designvalidierung bieten, erfordert dies dennoch ein hohes Maß an Wachsamkeit und sorgfältiger Prüfung durch den Konstrukteur, kombiniert mit praktischer Erfahrung und technischem Wissen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Designs zu gewährleisten und das Risiko des Strömungsdiagramms zu minimieren.
Eine Technik namens Sparse FDTD ermöglicht die direkte Durchführung von 3D- und 2D-FDTD-Simulationen an einem vollständigen PIC-Design zur Designvalidierung. Obwohl es für jedes elektromagnetische Simulationstool schwierig ist, einen sehr großen PIC zu simulieren, kann Sparse FDTD einen relativ großen lokalen Bereich simulieren. Bei herkömmlichem 3D-FDTD beginnt die Simulation mit der Initialisierung der sechs Komponenten des elektromagnetischen Felds innerhalb eines bestimmten quantisierten Volumens. Im Laufe der Zeit wird die neue Feldkomponente im Volumen berechnet usw. Jeder Schritt erfordert einen hohen Rechenaufwand und dauert daher lange. Bei Sparse 3D-FDTD wird nicht bei jedem Schritt an jedem Punkt des Volumens berechnet, sondern eine Liste von Feldkomponenten geführt, die theoretisch einem beliebig großen Volumen entsprechen kann und nur für diese Komponenten berechnet wird. Bei jedem Zeitschritt werden Punkte neben den Feldkomponenten hinzugefügt, während Feldkomponenten unterhalb einer bestimmten Leistungsschwelle verworfen werden. Für manche Strukturen kann diese Berechnung um mehrere Größenordnungen schneller sein als bei herkömmlichem 3D-FDTD. Sparse FDTDS sind jedoch bei dispersiven Strukturen nicht besonders effektiv, da sich dieses Zeitfeld zu stark ausbreitet, was zu zu langen und schwer zu verwaltenden Listen führt. Abbildung 1 zeigt einen Beispiel-Screenshot einer 3D-FDTD-Simulation, die einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) ähnelt.
Abbildung 1: Simulationsergebnisse der 3D-Sparse-FDTD. (A) ist eine Draufsicht der simulierten Struktur, einem Richtkoppler. (B) Zeigt einen Screenshot einer Simulation mit Quasi-TE-Anregung. Die beiden Diagramme oben zeigen die Draufsicht der Quasi-TE- und Quasi-TM-Signale, die beiden Diagramme unten die entsprechende Querschnittsansicht. (C) Zeigt einen Screenshot einer Simulation mit Quasi-TM-Anregung.
Veröffentlichungszeit: 23. Juli 2024