Diseño defotónicocircuito integrado
Circuitos integrados fotónicos(PIC) a menudo se diseñan con la ayuda de scripts matemáticos debido a la importancia de la longitud de la ruta en interferómetros u otras aplicaciones que son sensibles a la longitud de la ruta.Fotose fabrica con múltiples capas (típicamente 10 a 30) en una oblea, que se compone de muchas formas poligonales, a menudo representadas en el formato GDSII. Antes de enviar el archivo al fabricante de fotomask, es muy deseable poder simular la imagen para verificar la corrección del diseño. La simulación se divide en múltiples niveles: el nivel más bajo es la simulación electromagnética tridimensional (EM), donde la simulación se realiza en el nivel de longitud sub-onda, aunque las interacciones entre los átomos en el material se manejan a escala macroscópica. Los métodos típicos incluyen dominio de tiempo de diferencia finita tridimensional (FDTD 3D) y expansión de modos propios (EME). Estos métodos son los más precisos, pero no son prácticos para todo el tiempo de simulación PIC. El siguiente nivel es la simulación EM de 2.5 dimensiones, como la propagación del haz de diferencia finita (FD-BPM). Estos métodos son mucho más rápidos, pero sacrifican cierta precisión y solo pueden manejar la propagación paraxial y no pueden usarse para simular resonadores, por ejemplo. El siguiente nivel es la simulación EM 2D, como FDTD 2D y 2D BPM. Estos también son más rápidos, pero tienen una funcionalidad limitada, ya que no pueden simular rotadores de polarización. Otro nivel es la simulación de la matriz de transmisión y/o dispersión. Cada componente principal se reduce a un componente con entrada y salida, y la guía de onda conectada se reduce a un elemento de cambio de fase y atenuación. Estas simulaciones son extremadamente rápidas. La señal de salida se obtiene multiplicando la matriz de transmisión por la señal de entrada. La matriz de dispersión (cuyos elementos se llaman parámetros S) multiplica las señales de entrada y salida en un lado para encontrar las señales de entrada y salida en el otro lado del componente. Básicamente, la matriz de dispersión contiene el reflejo dentro del elemento. La matriz de dispersión suele ser dos veces más grande que la matriz de transmisión en cada dimensión. En resumen, desde 3D EM hasta simulación de matriz de transmisión/dispersión, cada capa de simulación presenta una compensación entre velocidad y precisión, y los diseñadores eligen el nivel correcto de simulación para sus necesidades específicas para optimizar el proceso de validación de diseño.
Sin embargo, confiar en la simulación electromagnética de ciertos elementos y usar una matriz de dispersión/transferencia para simular el PIC completo no garantiza un diseño completamente correcto frente a la placa de flujo. Por ejemplo, las longitudes de ruta mal calculadas, las guías de onda multimodo que no suprimen de manera efectiva los modos de alto orden, o dos guías de onda que están demasiado cerca entre sí, lo que conduce a problemas de acoplamiento inesperados es probable que no se detecten durante la simulación. Por lo tanto, aunque las herramientas de simulación avanzadas proporcionan potentes capacidades de validación de diseño, aún requiere un alto grado de vigilancia e inspección cuidadosa por parte del diseñador, combinado con experiencia práctica y conocimiento técnico, para garantizar la precisión y confiabilidad del diseño y reducir el riesgo de la hoja de flujo.
Una técnica llamada FDTD dispersa permite que las simulaciones FDTD 3D y 2D se realicen directamente en un diseño de PIC completo para validar el diseño. Aunque es difícil para cualquier herramienta de simulación electromagnética simular una imagen a gran escala, el FDTD disperso puede simular un área local bastante grande. En FDTD 3D tradicional, la simulación comienza inicializando los seis componentes del campo electromagnético dentro de un volumen cuantizado específico. A medida que pasa el tiempo, se calcula el nuevo componente de campo en el volumen, y así sucesivamente. Cada paso requiere mucho cálculo, por lo que lleva mucho tiempo. En FDTD 3D disperso, en lugar de calcular en cada paso en cada punto del volumen, se mantiene una lista de componentes de campo que teóricamente se puede corresponder a un volumen arbitrariamente grande y calcularse solo para esos componentes. En cada paso de tiempo, se agregan puntos adyacentes a los componentes de campo, mientras que los componentes de campo por debajo de un cierto umbral de potencia se eliminan. Para algunas estructuras, este cálculo puede ser varios órdenes de magnitud más rápido que el FDTD 3D tradicional. Sin embargo, los FDTD escasos no funcionan bien cuando se trata de estructuras dispersivas porque este campo de tiempo se propaga demasiado, lo que resulta en listas que son demasiado largas y difíciles de administrar. La Figura 1 muestra una captura de pantalla de ejemplo de una simulación FDTD 3D similar a un divisor de haz de polarización (PBS).
Figura 1: Resultados de la simulación de FDTD disperso 3D. (A) es una vista superior de la estructura que se simula, que es un acoplador direccional. (B) muestra una captura de pantalla de una simulación utilizando excitación cuasi-te. Los dos diagramas anteriores muestran la vista superior de las señales cuasi-te y cuasi-TM, y los dos diagramas a continuación muestran la vista de sección transversal correspondiente. (C) muestra una captura de pantalla de una simulación utilizando excitación cuasi-TM.
Tiempo de publicación: Jul-23-2024