Design defotônicocircuito integrado
Circuitos integrados fotônicos(PIC) são frequentemente projetados com a ajuda de scripts matemáticos devido à importância do comprimento do caminho em interferômetros ou outras aplicações que são sensíveis ao comprimento do caminho.PICé fabricado pela padronização de múltiplas camadas (tipicamente de 10 a 30) em um wafer, que são compostas de muitas formas poligonais, frequentemente representadas no formato GDSII. Antes de enviar o arquivo para o fabricante da fotomáscara, é altamente desejável ser capaz de simular o PIC para verificar a exatidão do projeto. A simulação é dividida em vários níveis: o nível mais baixo é a simulação eletromagnética tridimensional (EM), onde a simulação é realizada no nível de subcomprimento de onda, embora as interações entre átomos no material sejam tratadas na escala macroscópica. Métodos típicos incluem domínio de tempo de diferença finita tridimensional (FDTD 3D) e expansão de modo próprio (EME). Esses métodos são os mais precisos, mas são impraticáveis para todo o tempo de simulação do PIC. O próximo nível é a simulação EM 2,5 dimensões, como propagação de feixe de diferença finita (FD-BPM). Esses métodos são muito mais rápidos, mas sacrificam alguma precisão e podem lidar apenas com propagação paraxial e não podem ser usados para simular ressonadores, por exemplo. O próximo nível é a simulação EM 2D, como FDTD 2D e BPM 2D. Estas também são mais rápidas, mas têm funcionalidade limitada, por exemplo, não podem simular rotadores de polarização. Um nível adicional é a simulação da matriz de transmissão e/ou espalhamento. Cada componente principal é reduzido a um componente com entrada e saída, e o guia de onda conectado é reduzido a um elemento de deslocamento de fase e atenuação. Essas simulações são extremamente rápidas. O sinal de saída é obtido multiplicando-se a matriz de transmissão pelo sinal de entrada. A matriz de espalhamento (cujos elementos são chamados de parâmetros S) multiplica os sinais de entrada e saída de um lado para encontrar os sinais de entrada e saída do outro lado do componente. Basicamente, a matriz de espalhamento contém a reflexão dentro do elemento. A matriz de espalhamento é geralmente duas vezes maior que a matriz de transmissão em cada dimensão. Em resumo, do EM 3D à simulação da matriz de transmissão/espalhamento, cada camada de simulação apresenta um compromisso entre velocidade e precisão, e os projetistas escolhem o nível certo de simulação para suas necessidades específicas a fim de otimizar o processo de validação do projeto.
No entanto, confiar na simulação eletromagnética de certos elementos e usar uma matriz de espalhamento/transferência para simular todo o PIC não garante um projeto completamente correto na frente da placa de fluxo. Por exemplo, comprimentos de caminho mal calculados, guias de onda multimodo que não conseguem suprimir efetivamente os modos de alta ordem ou dois guias de onda muito próximos um do outro, levando a problemas de acoplamento inesperados, provavelmente não serão detectados durante a simulação. Portanto, embora ferramentas avançadas de simulação ofereçam recursos poderosos de validação de projeto, elas ainda exigem um alto grau de vigilância e inspeção cuidadosa por parte do projetista, combinados com experiência prática e conhecimento técnico, para garantir a precisão e a confiabilidade do projeto e reduzir o risco do fluxograma.
Uma técnica chamada FDTD esparsa permite que simulações FDTD 3D e 2D sejam realizadas diretamente em um projeto de PIC completo para validá-lo. Embora seja difícil para qualquer ferramenta de simulação eletromagnética simular um PIC de escala muito grande, a FDTD esparsa é capaz de simular uma área local razoavelmente grande. Na FDTD 3D tradicional, a simulação começa inicializando os seis componentes do campo eletromagnético dentro de um volume quantizado específico. Com o passar do tempo, o novo componente de campo no volume é calculado, e assim por diante. Cada etapa requer muitos cálculos, por isso leva muito tempo. Na FDTD 3D esparsa, em vez de calcular em cada etapa em cada ponto do volume, uma lista de componentes de campo é mantida, a qual pode, teoricamente, corresponder a um volume arbitrariamente grande e ser calculada apenas para esses componentes. A cada etapa de tempo, pontos adjacentes aos componentes de campo são adicionados, enquanto componentes de campo abaixo de um determinado limite de potência são removidos. Para algumas estruturas, esse cálculo pode ser várias ordens de magnitude mais rápido do que na FDTD 3D tradicional. No entanto, FDTDS esparsos não apresentam bom desempenho ao lidar com estruturas dispersivas, pois esse campo temporal se espalha muito, resultando em listas muito longas e difíceis de gerenciar. A Figura 1 mostra uma captura de tela de exemplo de uma simulação FDTD 3D semelhante a um divisor de feixe de polarização (PBS).
Figura 1: Resultados da simulação de FDTD esparso tridimensional. (A) Vista superior da estrutura simulada, que é um acoplador direcional. (B) Captura de tela de uma simulação utilizando excitação quase-TE. Os dois diagramas acima mostram a vista superior dos sinais quase-TE e quase-TM, e os dois diagramas abaixo mostram a vista transversal correspondente. (C) Captura de tela de uma simulação utilizando excitação quase-TM.
Horário da publicação: 23 de julho de 2024