Design vonphotonischintegrierter Schaltkreis
Photonische integrierte Schaltungen(PIC) werden häufig mit Hilfe mathematischer Skripte entworfen, da die Pfadlänge in Interferometern oder anderen Anwendungen, die für die Pfadlänge empfindlich sind, wichtig sind.Bildwird durch Stuptern mehrerer Schichten (typischerweise 10 bis 30) auf einem Wafer hergestellt, die aus vielen polygonalen Formen bestehen, die häufig im GDSII -Format dargestellt werden. Bevor Sie die Datei an den Photomask -Hersteller senden, ist es sehr wünschenswert, das Bild zu simulieren, um die Richtigkeit des Designs zu überprüfen. Die Simulation ist in mehrere Ebenen unterteilt: Die niedrigste Ebene ist die dreidimensionale elektromagnetische (EM) -Simulation, bei der die Simulation auf der Unterwellenlängenebene durchgeführt wird, obwohl die Wechselwirkungen zwischen Atomen im Material auf der makroskopischen Skala behandelt werden. Typische Methoden umfassen dreidimensionale Finite-Differenz-Zeit-Domänen (3D FDTD) und die Eigenmodexpansion (EME). Diese Methoden sind die genauesten, aber für die gesamte PIC -Simulationszeit unpraktisch. Die nächste Stufe ist eine 2,5-dimensionale EM-Simulation, wie z. B. Finite-Differenz-Strahlausbreitung (FD-BPM). Diese Methoden sind viel schneller, opfern jedoch eine gewisse Genauigkeit und können nur die paraxiale Ausbreitung bewältigen und können beispielsweise nicht zur Simulation von Resonatoren verwendet werden. Die nächste Stufe ist die 2D -EM -Simulation wie 2D FDTD und 2D BPM. Diese sind auch schneller, haben aber nur begrenzte Funktionen, wie sie die Polarisationsrotatoren nicht simulieren können. Eine weitere Ebene ist die Übertragungs- und/oder Streumatrixsimulation. Jede Hauptkomponente wird mit Eingang und Ausgang in eine Komponente reduziert, und das angeschlossene Wellenleiter wird auf ein Phasenverschiebungs- und Dämpfungselement reduziert. Diese Simulationen sind extrem schnell. Das Ausgangssignal wird erhalten, indem die Transmissionsmatrix mit dem Eingangssignal multipliziert wird. Die Streumatrix (deren Elemente als S-Parameter bezeichnet werden) multipliziert die Eingangs- und Ausgangssignale auf einer Seite, um die Eingangs- und Ausgangssignale auf der anderen Seite der Komponente zu finden. Grundsätzlich enthält die Streumatrix die Reflexion im Element. Die Streumatrix ist normalerweise doppelt so groß wie die Übertragungsmatrix in jeder Dimension. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass von 3D EM über die Simulation von Übertragungs-/Streumatrix-Simulation eine Simulationschicht darstellt, und Designer wählen die richtige Simulationsstufe für ihre spezifischen Bedürfnisse zur Optimierung des Entwurfsvalidierungsprozesses.
Wenn Sie sich jedoch auf die elektromagnetische Simulation bestimmter Elemente und die Verwendung einer Streu-/Übertragungsmatrix zur Simulation des gesamten PIC stützen, garantiert dies kein vollständig korrektes Design vor der Durchflussplatte. Zum Beispiel werden Multimode-Wellenleiter, die Modi hoher Ordnung nicht effektiv unterdrücken, oder zwei Wellenleiter, die zu nahe zu nahe zu uneingeschränkten Kopplungsproblemen sind, während der Simulation nicht effektiv unterdrückt. Obwohl fortschrittliche Simulationstools leistungsstarke Funktionen für Designvalidierung bieten, erfordert der Designer in Kombination mit praktischer Erfahrung und technischem Wissen ein hohes Maß an Wachsamkeit und sorgfältiger Inspektion, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Entwurfs zu gewährleisten und das Risiko des Flussblatts zu verringern.
Eine Technik namens SPARSE FDTD ermöglicht es, 3D- und 2D -FDTD -Simulationen direkt auf einem kompletten Bilddesign durchzuführen, um das Design zu validieren. Obwohl es für jedes elektromagnetische Simulationsinstrument schwierig ist, ein sehr großes Bild zu simulieren, kann die spärliche FDTD eine ziemlich große lokale Fläche simulieren. In der traditionellen 3D -FDTD beginnt die Simulation mit der Initialisierung der sechs Komponenten des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines spezifischen quantisierten Volumens. Im Laufe der Zeit wird die neue Feldkomponente im Volumen berechnet und so weiter. Jeder Schritt erfordert viel Berechnung, daher dauert es lange. In spärlicher 3D -FDTD wird anstatt an jedem Schritt an jedem Punkt des Volumens eine Liste von Feldkomponenten zu berechnen, die theoretisch einem willkürlich großen Volumen entsprechen und nur für diese Komponenten berechnet werden können. Zu jedem Zeitschritt werden Punkte neben Feldkomponenten hinzugefügt, während Feldkomponenten unterhalb einer bestimmten Leistungsschwelle fallen gelassen werden. Für einige Strukturen kann diese Berechnung mehrere Größenordnungen schneller sein als herkömmliche 3D -FDTD. Spärliche FDTDs funktionieren jedoch nicht gut, wenn es um dispersive Strukturen geht, da dieses Mal das Feld zu stark verbreitet, was zu Listen führt, die zu lang und schwer zu verwalten sind. Abbildung 1 zeigt einen Beispiel -Screenshot einer 3D -FDTD -Simulation, die einem Polarisationsstrahlsplitter (PBS) ähnelt.
Abbildung 1: Die Simulation resultiert aus 3D -Spärdetat FDTD. (A) ist eine Spitzenansicht der simulierten Struktur, die ein Richtkuppler ist. (B) zeigt einen Screenshot einer Simulation unter Verwendung der Quasi-TE-Anregung. Die beiden oben genannten Diagramme zeigen die Spitzenansicht der Quasi-TE- und Quasi-TM-Signale und die beiden folgenden Diagramme unten die entsprechende Querschnittsansicht. (C) zeigt einen Screenshot einer Simulation mit Quasi-TM-Anregung.
Postzeit: Juli-23-2024