Tasarımıfotonikentegre devre
Fotonik entegre devreler(PIC) interferometrelerde veya yol uzunluğuna duyarlı diğer uygulamalarda yol uzunluğunun önemi nedeniyle genellikle matematiksel betiklerin yardımıyla tasarlanır.RESİMBir yonga plakası üzerinde, genellikle GDSII formatında temsil edilen çok sayıda çokgen şekilden oluşan birden fazla katmanın (genellikle 10 ila 30) desenlenmesiyle üretilir. Dosyayı fotomaske üreticisine göndermeden önce, tasarımın doğruluğunu doğrulamak için PIC'yi simüle edebilmek son derece arzu edilir. Simülasyon birden fazla seviyeye ayrılmıştır: en düşük seviye, simülasyonun dalga boyu altı seviyede gerçekleştirildiği üç boyutlu elektromanyetik (EM) simülasyondur; ancak malzemedeki atomlar arasındaki etkileşimler makroskobik ölçekte ele alınır. Tipik yöntemler arasında üç boyutlu sonlu farklar zaman alanı (3B FDTD) ve özmod genişlemesi (EME) bulunur. Bu yöntemler en doğru olanlardır, ancak tüm PIC simülasyon süresi boyunca pratik değildirler. Bir sonraki seviye, sonlu farklar ışın yayılımı (FD-BPM) gibi 2,5 boyutlu EM simülasyonudur. Bu yöntemler çok daha hızlıdır, ancak bir miktar doğruluktan 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 ihtiyaçlarına uygun doğru simülasyon seviyesini 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 garantisi vermez. Örneğin, yanlış hesaplanmış yol uzunlukları, yüksek mertebeden modları etkili bir şekilde bastıramayan çok modlu dalga kılavuzları veya beklenmedik kuplaj 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 yüksek düzeyde dikkat ve dikkatli inceleme, pratik deneyim ve teknik bilgi gerektirir.
Seyrek FDTD adı verilen bir teknik, tasarımı doğrulamak için 3B ve 2B FDTD simülasyonlarının doğrudan eksiksiz bir PIC tasarımı üzerinde gerçekleştirilmesini sağlar. Herhangi bir elektromanyetik simülasyon aracının çok büyük ölçekli bir PIC'yi simüle etmesi zor olsa da, seyrek FDTD oldukça geniş bir yerel alanı simüle edebilir. Geleneksel 3B FDTD'de simülasyon, belirli bir nicemlenmiş hacim içindeki elektromanyetik alanın altı bileşeninin başlatılmasıyla başlar. Zaman ilerledikçe, hacimdeki yeni alan bileşeni hesaplanır ve bu böyle devam eder. Her adım çok fazla hesaplama gerektirdiğinden, 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 kat daha hızlı olabilir. Ancak, seyrek FDTDS'ler, zaman alanı çok fazla yayıldığı ve yönetilmesi çok uzun ve zor listeler ortaya çıktığı için, dağıtıcı yapılarla çalışırken iyi performans göstermez. Şekil 1, bir polarizasyon ışın bölücüsüne (PBS) benzer bir 3B FDTD simülasyonunun örnek bir ekran görüntüsünü göstermektedir.
Şekil 1: 3 boyutlu seyrek FDTD simülasyon sonuçları. (A) Yönlü bir kuplör olan simüle edilen yapının üstten görünümüdür. (B) Yarı-TE uyarımı kullanılarak yapılan bir simülasyonun ekran görüntüsünü gösterir. Yukarıdaki iki diyagram, yarı-TE ve yarı-TM sinyallerinin üstten görünümünü, aşağıdaki iki diyagram ise ilgili kesit görünümünü gösterir. (C) Yarı-TM uyarımı kullanılarak yapılan bir simülasyonun ekran görüntüsünü gösterir.
Gönderi zamanı: 23 Temmuz 2024