Tasarımfotonikentegre devre
Fotonik entegre devreler(PIC) interferometrelerde veya yol uzunluğuna duyarlı diğer uygulamalarda yol uzunluğunun önemi nedeniyle genellikle matematiksel betiklerin yardımıyla tasarlanır.RESİMbir gofret üzerinde birden fazla katman (genellikle 10 ila 30) desenlendirilerek üretilir ve bu katmanlar genellikle GDSII formatında gösterilen çokgen şekillerden oluşur. Dosyayı fotomaske üreticisine göndermeden önce, tasarımın doğruluğunu doğrulamak için PIC'yi simüle edebilmek kesinlikle istenir. Simülasyon birden fazla seviyeye ayrılır: en düşük seviye, simülasyonun alt dalga boyu seviyesinde gerçekleştirildiği üç boyutlu elektromanyetik (EM) simülasyondur, ancak malzemedeki atomlar arasındaki etkileşimler makroskobik ölçekte ele alınır. Tipik yöntemler arasında üç boyutlu sonlu fark Zaman alanı (3D FDTD) ve öz mod genişlemesi (EME) bulunur. Bu yöntemler en doğru olanlardır, ancak tüm PIC simülasyon süresi için pratik değildir. Bir sonraki seviye, sonlu fark ışın yayılımı (FD-BPM) gibi 2,5 boyutlu EM simülasyonudur. Bu yöntemler çok daha hızlıdır, ancak doğruluktan biraz ödün verir ve yalnızca paraksiyel yayılımı işleyebilir ve örneğin rezonatörleri simüle etmek için kullanılamaz. Bir sonraki seviye, 2D FDTD ve 2D BPM gibi 2D EM simülasyonudur. Bunlar da daha hızlıdır, ancak polarizasyon rotatörlerini simüle edememeleri gibi sınırlı işlevselliğe sahiptirler. Bir sonraki seviye, iletim ve/veya saçılma matrisi simülasyonudur. Her bir ana bileşen, giriş ve çıkışa sahip bir bileşene indirgenir ve bağlı dalga kılavuzu bir faz kayması ve zayıflama elemanına indirgenir. Bu simülasyonlar son derece hızlıdır. Çıkış sinyali, iletim matrisinin giriş sinyaliyle çarpılmasıyla elde edilir. Saçılma matrisi (elemanlarına S-parametreleri denir) bir taraftaki giriş ve çıkış sinyallerini çarparak bileşenin diğer tarafındaki giriş ve çıkış sinyallerini bulur. Temel olarak, saçılma matrisi elemanın içindeki yansımayı içerir. Saçılma matrisi genellikle her boyutta iletim matrisinin iki katı büyüklüğündedir. Özetle, 3B EM'den iletim/saçılma matrisi simülasyonuna kadar, simülasyonun her katmanı hız ve doğruluk arasında bir denge sunar ve tasarımcılar, tasarım doğrulama sürecini optimize etmek için kendi özel ihtiyaçları için doğru simülasyon düzeyini seçerler.
Ancak, belirli elemanların elektromanyetik simülasyonuna güvenmek ve tüm PIC'yi simüle etmek için bir saçılma/transfer matrisi kullanmak, akış plakasının önünde tamamen doğru bir tasarım garanti etmez. Örneğin, yanlış hesaplanmış yol uzunlukları, yüksek dereceli modları etkili bir şekilde bastıramayan çok modlu dalga kılavuzları veya beklenmedik bağlantı sorunlarına yol açan birbirine çok yakın iki dalga kılavuzunun simülasyon sırasında tespit edilmemesi muhtemeldir. Bu nedenle, gelişmiş simülasyon araçları güçlü tasarım doğrulama yetenekleri sağlasa da, tasarımın doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlamak ve akış şeması riskini azaltmak için tasarımcı tarafından pratik deneyim ve teknik bilgiyle birlikte yüksek derecede dikkat ve dikkatli inceleme gerekir.
Seyrek FDTD adı verilen bir teknik, tasarımı doğrulamak için 3B ve 2B FDTD simülasyonlarının doğrudan eksiksiz bir PIC tasarımında gerçekleştirilmesine olanak tanır. Herhangi bir elektromanyetik simülasyon aracının çok büyük ölçekli bir PIC'i simüle etmesi zor olsa da, seyrek FDTD oldukça büyük bir yerel alanı simüle edebilir. Geleneksel 3B FDTD'de, simülasyon belirli bir niceliklendirilmiş hacim içindeki elektromanyetik alanın altı bileşenini başlatarak başlar. Zaman ilerledikçe, hacimdeki yeni alan bileşeni hesaplanır ve benzeri. Her adım çok fazla hesaplama gerektirir, bu nedenle uzun zaman alır. Seyrek 3B FDTD'de, hacmin her noktasında her adımda hesaplama yapmak yerine, teorik olarak keyfi olarak büyük bir hacme karşılık gelebilecek ve yalnızca bu bileşenler için hesaplanabilecek bir alan bileşenleri listesi tutulur. Her zaman adımında, alan bileşenlerine bitişik noktalar eklenirken, belirli bir güç eşiğinin altındaki alan bileşenleri çıkarılır. Bazı yapılar için, bu hesaplama geleneksel 3B FDTD'den birkaç büyüklük sırası daha hızlı olabilir. Ancak, seyrek FDTDS, bu zaman alanı çok fazla yayıldığı ve yönetilmesi çok uzun ve zor listeler ortaya çıktığı için, dağıtıcı yapılarla uğraşırken iyi performans göstermez. Şekil 1, bir polarizasyon ışın ayırıcısına (PBS) benzer bir 3B FDTD simülasyonunun örnek bir ekran görüntüsünü gösterir.
Şekil 1: 3D seyrek FDTD'den simülasyon sonuçları. (A) simüle edilen yapının, yönlü bir kuplör olan üstten görünümüdür. (B) Kuazi-TE uyarımı kullanan bir simülasyonun ekran görüntüsünü gösterir. Yukarıdaki iki diyagram, kuazi-TE ve kuazi-TM sinyallerinin üstten görünümünü gösterir ve aşağıdaki iki diyagram, karşılık gelen kesit görünümünü gösterir. (C) Kuazi-TM uyarımı kullanan bir simülasyonun ekran görüntüsünü gösterir.
Gönderi zamanı: 23-Tem-2024