Diseño de circuito integrado fotónico.

Diseño defotónicocircuito integrado

Circuitos integrados fotónicos(PIC) a menudo se diseñan con la ayuda de scripts matemáticos debido a la importancia de la longitud del camino en interferómetros u otras aplicaciones que son sensibles a la longitud del camino.fotose fabrica aplicando múltiples capas (normalmente de 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 la fotomáscara, es muy recomendable poder simular el PIC para verificar la exactitud del diseño. La simulación se divide en múltiples niveles: el nivel más bajo es la simulación electromagnética (EM) tridimensional, donde la simulación se realiza en el nivel de longitud de onda inferior, aunque las interacciones entre los átomos del material se manejan a escala macroscópica. Los métodos típicos incluyen el dominio del tiempo de diferencias finitas tridimensionales (3D FDTD) y la expansión de modo propio (EME). Estos métodos son los más precisos, pero no son prácticos durante todo el tiempo de simulación PIC. El siguiente nivel es la simulación EM de 2,5 dimensiones, como la propagación del haz de diferencias finitas (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 2D FDTD y 2D BPM. También son más rápidos, pero tienen una funcionalidad limitada, ya que no pueden simular rotadores de polarización. Un nivel adicional es la simulación de matriz de transmisión y/o dispersión. Cada componente principal se reduce a un componente con entrada y salida, y la guía de ondas conectada se reduce a un elemento de atenuación y cambio de fase. 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 denominan 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 EM 3D hasta la simulación de matriz de transmisión/dispersión, cada capa de simulación presenta un equilibrio entre velocidad y precisión, y los diseñadores eligen el nivel correcto de simulación para sus necesidades específicas para optimizar el proceso de validación del diseño.

Sin embargo, confiar en la simulación electromagnética de ciertos elementos y usar una matriz de dispersión/transferencia para simular todo el PIC no garantiza un diseño completamente correcto frente a la placa de flujo. Por ejemplo, es probable que no se detecten durante la simulación longitudes de trayectoria mal calculadas, guías de ondas multimodo que no logran suprimir eficazmente los modos de orden superior o dos guías de ondas que están demasiado cerca una de la otra, lo que genera problemas de acoplamiento inesperados. Por lo tanto, aunque las herramientas de simulación avanzadas proporcionan poderosas capacidades de validación del diseño, aún requiere un alto grado de vigilancia e inspección cuidadosa por parte del diseñador, combinadas con experiencia práctica y conocimiento técnico, para garantizar la precisión y confiabilidad del diseño y reducir el riesgo de falla. diagrama de flujo.

Una técnica llamada FDTD dispersa permite realizar simulaciones FDTD 3D y 2D directamente en un diseño PIC completo para validar el diseño. Aunque es difícil para cualquier herramienta de simulación electromagnética simular un PIC a muy gran escala, el FDTD escaso es capaz de simular un área local bastante grande. En el FDTD 3D tradicional, la simulación comienza inicializando los seis componentes del campo electromagnético dentro de un volumen cuantificado específico. A medida que avanza el tiempo, se calcula el nuevo componente de campo en el volumen, y así sucesivamente. Cada paso requiere muchos cálculos, 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 pueden 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 FDTDS dispersos no funcionan bien cuando se trata de estructuras dispersivas porque este campo de tiempo se extiende demasiado, lo que resulta en listas 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 en 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 que utiliza excitación cuasi-TE. Los dos diagramas anteriores muestran la vista superior de las señales cuasi-TE y cuasi-TM, y los dos diagramas siguientes muestran la vista en sección transversal correspondiente. (C) Muestra una captura de pantalla de una simulación que utiliza excitación cuasi-TM.