Reka bentuk litar bersepadu fotonik

Reka bentukfotoniklitar bersepadu

Litar bersepadu fotonik(PIC) selalunya direka bentuk dengan bantuan skrip matematik kerana kepentingan panjang laluan dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif kepada panjang laluan.PICdihasilkan dengan menampal berbilang lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri daripada banyak bentuk poligon, selalunya diwakili dalam format GDSII. Sebelum menghantar fail kepada pengilang photomask, adalah sangat wajar untuk dapat mensimulasikan PIC untuk mengesahkan ketepatan reka bentuk. Simulasi dibahagikan kepada beberapa peringkat: tahap terendah ialah simulasi elektromagnet (EM) tiga dimensi, di mana simulasi dilakukan pada tahap sub-panjang gelombang, walaupun interaksi antara atom dalam bahan dikendalikan pada skala makroskopik. Kaedah biasa termasuk domain Masa perbezaan terhingga tiga dimensi (FDTD 3D) dan pengembangan mod eigen (EME). Kaedah ini adalah yang paling tepat, tetapi tidak praktikal untuk keseluruhan masa simulasi PIC. Tahap seterusnya ialah simulasi EM 2.5 dimensi, seperti perambatan rasuk perbezaan terhingga (FD-BPM). Kaedah ini jauh lebih pantas, tetapi mengorbankan sedikit ketepatan dan hanya boleh mengendalikan perambatan paraxial dan tidak boleh digunakan untuk mensimulasikan resonator, contohnya. Tahap seterusnya ialah simulasi EM 2D, seperti FDTD 2D dan BPM 2D. Ini juga lebih pantas, tetapi mempunyai fungsi terhad, seperti ia tidak dapat mensimulasikan pemutar polarisasi. Tahap selanjutnya ialah penghantaran dan/atau penyerakan matriks simulasi. Setiap komponen utama dikurangkan kepada komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang disambungkan dikurangkan kepada anjakan fasa dan elemen pengecilan. Simulasi ini sangat pantas. Isyarat keluaran diperoleh dengan mendarabkan matriks penghantaran dengan isyarat masukan. Matriks serakan (yang unsur-unsurnya dipanggil parameter-S) mendarabkan isyarat input dan output pada satu bahagian untuk mencari isyarat input dan output pada bahagian lain komponen. Pada asasnya, matriks serakan mengandungi pantulan di dalam elemen. Matriks serakan biasanya dua kali lebih besar daripada matriks penghantaran dalam setiap dimensi. Ringkasnya, daripada EM 3D kepada simulasi matriks penghantaran/penyebaran, setiap lapisan simulasi mempersembahkan pertukaran antara kelajuan dan ketepatan, dan pereka bentuk memilih tahap simulasi yang betul untuk keperluan khusus mereka untuk mengoptimumkan proses pengesahan reka bentuk.

Walau bagaimanapun, bergantung pada simulasi elektromagnet unsur-unsur tertentu dan menggunakan matriks serakan/pemindahan untuk mensimulasikan keseluruhan PIC tidak menjamin reka bentuk yang betul sepenuhnya di hadapan plat aliran. Contohnya, panjang laluan yang salah mengira, pandu gelombang berbilang mod yang gagal menyekat mod tertib tinggi dengan berkesan, atau dua pandu gelombang yang terlalu dekat antara satu sama lain yang membawa kepada masalah gandingan yang tidak dijangka berkemungkinan tidak dapat dikesan semasa simulasi. Oleh itu, walaupun alat simulasi canggih menyediakan keupayaan pengesahan reka bentuk yang berkuasa, ia masih memerlukan tahap kewaspadaan yang tinggi dan pemeriksaan teliti oleh pereka bentuk, digabungkan dengan pengalaman praktikal dan pengetahuan teknikal, untuk memastikan ketepatan dan kebolehpercayaan reka bentuk dan mengurangkan risiko lembaran aliran.

Teknik yang dipanggil FDTD jarang membolehkan simulasi FDTD 3D dan 2D dilakukan secara langsung pada reka bentuk PIC yang lengkap untuk mengesahkan reka bentuk. Walaupun sukar bagi mana-mana alat simulasi elektromagnet untuk mensimulasikan PIC skala yang sangat besar, FDTD yang jarang dapat mensimulasikan kawasan tempatan yang agak besar. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi bermula dengan memulakan enam komponen medan elektromagnet dalam volum terkuantisasi tertentu. Apabila masa berlalu, komponen medan baharu dalam volum dikira, dan seterusnya. Setiap langkah memerlukan banyak pengiraan, jadi ia mengambil masa yang lama. Dalam FDTD 3D yang jarang, bukannya mengira pada setiap langkah pada setiap titik volum, senarai komponen medan dikekalkan yang secara teorinya boleh sepadan dengan volum yang besar secara sewenang-wenangnya dan hanya dikira untuk komponen tersebut. Pada setiap langkah masa, mata bersebelahan dengan komponen medan ditambah, manakala komponen medan di bawah ambang kuasa tertentu digugurkan. Untuk sesetengah struktur, pengiraan ini boleh menjadi beberapa urutan magnitud lebih pantas daripada FDTD 3D tradisional. Walau bagaimanapun, FDTDS yang jarang menunjukkan prestasi yang baik apabila berurusan dengan struktur penyebaran kerana medan masa ini merebak terlalu banyak, mengakibatkan senarai yang terlalu panjang dan sukar untuk diurus. Rajah 1 menunjukkan contoh tangkapan skrin simulasi FDTD 3D serupa dengan pembahagi rasuk polarisasi (PBS).

Rajah 1: Hasil simulasi daripada FDTD jarang 3D. (A) ialah pandangan atas struktur yang disimulasikan, yang merupakan pengganding arah. (B) Menunjukkan tangkapan skrin simulasi menggunakan pengujaan kuasi-TE. Dua rajah di atas menunjukkan pandangan atas isyarat kuasi-TE dan kuasi-TM, dan dua rajah di bawah menunjukkan pandangan keratan rentas yang sepadan. (C) Menunjukkan tangkapan skrin simulasi menggunakan pengujaan kuasi-TM.


Masa siaran: Jul-23-2024