Diseño defotónicocircuito integrado
circuitos integrados fotónicosLos circuitos integrados fotónicos (PIC) a menudo se diseñan con la ayuda de scripts matemáticos debido a la importancia de la longitud de la trayectoria en interferómetros u otras aplicaciones que son sensibles a la longitud de la trayectoria.PICSe fabrica mediante el patrón de múltiples capas (normalmente de 10 a 30) sobre una oblea, compuestas por numerosas formas poligonales, a menudo representadas en formato GDSII. Antes de enviar el archivo al fabricante de fotomáscaras, es fundamental poder simular el circuito integrado fotónico (PIC) para verificar la corrección del diseño. La simulación se divide en varios niveles: el nivel más bajo es la simulación electromagnética (EM) tridimensional, donde la simulación se realiza a nivel sublongitud de onda, aunque las interacciones entre los átomos del material se gestionan a escala macroscópica. Los métodos típicos incluyen el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo tridimensional (3D FDTD) y la expansión de modos propios (EME). Estos métodos son los más precisos, pero resultan imprácticos para todo el tiempo de simulación del PIC. El siguiente nivel es la simulación EM bidimensional y media, como la propagación de haces por diferencias finitas (FD-BPM). Estos métodos son mucho más rápidos, pero sacrifican algo de precisión y solo pueden gestionar la propagación paraxial; por ejemplo, no se pueden utilizar para simular resonadores. El siguiente nivel es la simulación electromagnética 2D, como FDTD 2D y BPM 2D. Estas también son más rápidas, pero tienen funcionalidad limitada; por ejemplo, no pueden simular rotadores de polarización. Un nivel superior 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 desplazamiento 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 denominan parámetros S) multiplica las señales de entrada y salida de un lado para obtener las señales de entrada y salida del otro lado del componente. Básicamente, la matriz de dispersión contiene la reflexión dentro del elemento. La matriz de dispersión suele ser el doble de grande que la matriz de transmisión en cada dimensión. En resumen, desde la simulación EM 3D hasta la simulación de matrices de transmisión/dispersión, cada capa de simulación presenta un equilibrio entre velocidad y precisión, y los diseñadores eligen el nivel de simulación adecuado para sus necesidades específicas con el fin de optimizar el proceso de validación del diseño.
Sin embargo, basarse en la simulación electromagnética de ciertos elementos y utilizar una matriz de dispersión/transferencia para simular todo el circuito integrado fotónico (PIC) no garantiza un diseño completamente correcto frente a la placa de flujo. Por ejemplo, es probable que durante la simulación no se detecten longitudes de trayectoria mal calculadas, guías de onda multimodo que no suprimen eficazmente los modos de orden superior o dos guías de onda demasiado cercanas entre sí que generan problemas de acoplamiento inesperados. Por lo tanto, si bien las herramientas de simulación avanzadas ofrecen potentes capacidades de validación del diseño, aún se requiere un alto grado de vigilancia e inspección minuciosa por parte del diseñador, junto con experiencia práctica y conocimientos técnicos, para garantizar la precisión y la fiabilidad del diseño y reducir el riesgo en la placa de flujo.
Una técnica denominada FDTD dispersa permite realizar simulaciones FDTD en 3D y 2D directamente sobre un diseño PIC completo para validarlo. Si bien resulta difícil para cualquier herramienta de simulación electromagnética simular un PIC de gran escala, la FDTD dispersa permite simular un área local considerable. En la FDTD 3D tradicional, la simulación comienza inicializando los seis componentes del campo electromagnético dentro de un volumen cuantizado específico. Con el paso del tiempo, se calcula el nuevo componente del campo en dicho volumen, y así sucesivamente. Cada paso requiere una gran cantidad de cálculos, por lo que el proceso es lento. En la FDTD 3D dispersa, en lugar de calcular en cada paso en cada punto del volumen, se mantiene una lista de componentes del campo que, teóricamente, puede corresponder a un volumen arbitrariamente grande y calcularse únicamente para dichos componentes. En cada paso de tiempo, se añaden los puntos adyacentes a los componentes del campo, mientras que se descartan los componentes con una potencia inferior a un determinado umbral. Para algunas estructuras, este cálculo puede ser varios órdenes de magnitud más rápido que la FDTD 3D tradicional. Sin embargo, los métodos FDTD dispersos no funcionan bien con estructuras dispersivas, ya que este campo temporal se expande demasiado, lo que genera listas demasiado largas y difíciles de manejar. La figura 1 muestra una captura de pantalla de ejemplo de una simulación FDTD 3D similar a la de un divisor de haz polarizador (PBS).
Figura 1: Resultados de la simulación FDTD dispersa 3D. (A) Vista superior de la estructura simulada, un acoplador direccional. (B) Captura de pantalla de una simulación con excitación cuasi-TE. Los diagramas superiores muestran la vista superior de las señales cuasi-TE y cuasi-TM, y los inferiores, la vista transversal correspondiente. (C) Captura de pantalla de una simulación con excitación cuasi-TM.
Fecha de publicación: 23 de julio de 2024