Reka bentukfotoniklitar bersepadu
Litar bersepadu fotonik(PIC) sering direka bentuk dengan bantuan skrip matematik kerana kepentingan panjang laluan dalam interferometer atau aplikasi lain yang sensitif terhadap panjang laluan.PICdihasilkan dengan mencatur berbilang lapisan (biasanya 10 hingga 30) pada wafer, yang terdiri daripada pelbagai bentuk poligon, yang sering diwakili dalam format GDSII. Sebelum menghantar fail kepada pengeluar photomask, adalah sangat wajar untuk dapat mensimulasikan PIC bagi mengesahkan ketepatan reka bentuk. Simulasi dibahagikan kepada pelbagai peringkat: peringkat terendah ialah simulasi elektromagnet (EM) tiga dimensi, di mana simulasi dilakukan pada peringkat 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 eigenmod (EME). Kaedah ini adalah yang paling tepat, tetapi tidak praktikal untuk keseluruhan masa simulasi PIC. Peringkat seterusnya ialah simulasi EM 2.5 dimensi, seperti perambatan pancaran perbezaan terhingga (FD-BPM). Kaedah ini jauh lebih pantas, tetapi mengorbankan beberapa ketepatan dan hanya boleh mengendalikan perambatan paraksial 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 yang terhad, seperti ia tidak dapat mensimulasikan pemutar polarisasi. Tahap selanjutnya ialah simulasi matriks penghantaran dan/atau penyerakan. Setiap komponen utama dikurangkan kepada komponen dengan input dan output, dan pandu gelombang yang disambungkan dikurangkan kepada elemen anjakan fasa dan pelemahan. Simulasi ini sangat pantas. Isyarat output diperoleh dengan mendarabkan matriks penghantaran dengan isyarat input. Matriks penyerakan (yang elemennya dipanggil parameter-S) mendarabkan isyarat input dan output di satu sisi untuk mencari isyarat input dan output di sisi lain komponen. Pada asasnya, matriks penyerakan mengandungi pantulan di dalam elemen. Matriks penyerakan biasanya dua kali lebih besar daripada matriks penghantaran dalam setiap dimensi. Secara ringkasnya, daripada EM 3D kepada simulasi matriks penghantaran/penyerakan, setiap lapisan simulasi membentangkan pertukaran antara kelajuan dan ketepatan, dan pereka memilih tahap simulasi yang tepat untuk keperluan khusus mereka untuk mengoptimumkan proses pengesahan reka bentuk.
Walau bagaimanapun, bergantung pada simulasi elektromagnet unsur-unsur tertentu dan menggunakan matriks penyebaran/pemindahan untuk mensimulasikan keseluruhan PIC tidak menjamin reka bentuk yang betul sepenuhnya di hadapan plat aliran. Contohnya, panjang laluan yang salah dikira, pandu gelombang berbilang mod yang gagal menyekat mod tertib tinggi secara berkesan, atau dua pandu gelombang yang terlalu dekat antara satu sama lain yang membawa kepada masalah gandingan yang tidak dijangka mungkin tidak 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 yang teliti oleh pereka, digabungkan dengan pengalaman praktikal dan pengetahuan teknikal, untuk memastikan ketepatan dan kebolehpercayaan reka bentuk dan mengurangkan risiko helaian aliran.
Satu 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 berskala sangat besar, FDTD jarang mampu mensimulasikan kawasan setempat yang agak besar. Dalam FDTD 3D tradisional, simulasi bermula dengan memulakan enam komponen medan elektromagnet dalam isipadu terkuantum tertentu. Seiring berjalannya waktu, komponen medan baharu dalam isipadu dikira, dan sebagainya. Setiap langkah memerlukan banyak pengiraan, jadi ia mengambil masa yang lama. Dalam FDTD 3D jarang, senarai komponen medan dikekalkan daripada mengira pada setiap langkah pada setiap titik isipadu yang secara teorinya boleh sepadan dengan isipadu yang besar dan dikira hanya untuk komponen tersebut. Pada setiap langkah masa, titik bersebelahan dengan komponen medan ditambah, manakala komponen medan di bawah ambang kuasa tertentu digugurkan. Bagi sesetengah struktur, pengiraan ini boleh menjadi beberapa peringkat magnitud lebih pantas daripada FDTD 3D tradisional. Walau bagaimanapun, FDTDS yang jarang tidak berfungsi dengan baik apabila berurusan dengan struktur serakan kerana medan masa ini terlalu banyak tersebar, mengakibatkan senarai yang terlalu panjang dan sukar untuk diurus. Rajah 1 menunjukkan contoh tangkapan skrin simulasi FDTD 3D yang serupa dengan pembahagi pancaran polarisasi (PBS).
Rajah 1: Keputusan simulasi daripada FDTD jarang 3D. (A) ialah pandangan atas struktur yang sedang disimulasikan, iaitu pengganding berarah. (B) Menunjukkan tangkapan skrin simulasi menggunakan pengujaan kuasi-TE. Dua gambar rajah di atas menunjukkan pandangan atas isyarat kuasi-TE dan kuasi-TM, dan dua gambar rajah di bawah menunjukkan pandangan keratan rentas yang sepadan. (C) Menunjukkan tangkapan skrin simulasi menggunakan pengujaan kuasi-TM.
Masa siaran: 23 Julai 2024