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 los interferómetros u otras aplicaciones que son sensibles a la longitud del camino.FOTOse fabrica mediante la creación de patrones de múltiples capas (normalmente de 10 a 30) en una oblea, que se componen de muchas formas poligonales, a menudo representadas en el formato GDSII. Antes de enviar el archivo al fabricante de la fotomáscara, es muy conveniente poder simular el 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 de sublongitud de onda, aunque las interacciones entre átomos en el material se manejan a escala macroscópica. Los métodos típicos incluyen el dominio del tiempo de diferencias finitas tridimensionales (3D FDTD) y la expansión de modos propios (EME). Estos métodos son los más precisos, pero no son prácticos para todo el tiempo de simulación del 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 algo de precisión y solo pueden manejar 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. Estos también son más rápidos, pero tienen una funcionalidad limitada, como que no pueden simular rotadores de polarización. Un nivel más alto 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 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 en un lado para encontrar las señales de entrada y salida en el 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 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 adecuado de simulación para sus necesidades específicas para optimizar el proceso de validación del diseño.
Sin embargo, basarse 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 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 próximas que provoquen 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 fiabilidad del diseño y reducir el riesgo del diagrama de flujo.
Una técnica denominada FDTD dispersa permite realizar simulaciones FDTD 3D y 2D directamente en un diseño de PIC completo para validarlo. Si bien es difícil para cualquier herramienta de simulación electromagnética simular un PIC a gran escala, la FDTD dispersa permite simular un área local bastante extensa. En la FDTD 3D tradicional, la simulación comienza inicializando los seis componentes del campo electromagnético dentro de un volumen cuantificado específico. A medida que transcurre el tiempo, se calcula el nuevo componente de campo en el volumen, y así sucesivamente. Cada paso requiere una gran cantidad de cálculos, por lo que lleva mucho tiempo. En la FDTD 3D dispersa, en lugar de calcular en cada paso y en cada punto del volumen, se mantiene una lista de componentes de campo que, en teoría, pueden corresponder a un volumen arbitrariamente grande y calcularse solo para esos componentes. En cada paso de tiempo, se añaden los puntos adyacentes a los componentes de campo, mientras que se descartan los componentes de campo por debajo de un cierto umbral de potencia. Para algunas estructuras, este cálculo puede ser varios órdenes de magnitud más rápido que en la FDTD 3D tradicional. Sin embargo, los FDTDS dispersos no funcionan bien con estructuras dispersivas, ya que este campo temporal se dispersa demasiado, lo que resulta en listas demasiado largas y difíciles de gestionar. 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) Vista superior de la estructura simulada, que es un acoplador direccional. (B) Captura de pantalla de una simulación con excitación cuasi-TE. Los dos diagramas superiores muestran la vista superior de las señales cuasi-TE y cuasi-TM, y los dos diagramas inferiores muestran la sección transversal correspondiente. (C) Captura de pantalla de una simulación con excitación cuasi-TM.
Hora de publicación: 23 de julio de 2024