Design defotônicocircuito integrado
Circuitos integrados fotônicos(PIC) geralmente são projetados com a ajuda de scripts matemáticos devido à importância do comprimento do caminho em interferômetros ou outras aplicações sensíveis ao comprimento do caminho.Fotoé fabricado com a tampa de várias camadas (normalmente 10 a 30) em uma bolacha, composta de muitas formas poligonais, geralmente representadas no formato GDSII. Antes de enviar o arquivo para o fabricante do Photomask, é fortemente desejável poder simular a foto para verificar a correção do design. A simulação é dividida em níveis múltiplos: o nível mais baixo é a simulação tridimensional eletromagnética (EM), onde a simulação é realizada no nível do comprimento de subsídio, embora as interações entre os átomos no material sejam tratadas na escala macroscópica. Os métodos típicos incluem o domínio de tempo tridimensional da diferença finita (3D FDTD) e a expansão do modo próprio (EME). Esses métodos são os mais precisos, mas são impraticáveis para todo o tempo de simulação PIC. O próximo nível é a simulação EM 2,5-dimensional, como a propagação do feixe de diferença finita (FD-BPM). Esses métodos são muito mais rápidos, mas sacrificam alguma precisão e só podem lidar com propagação paraxial e não podem ser usados para simular ressonadores, por exemplo. O próximo nível é a simulação 2D EM, como 2D FDTD e 2D BPM. Eles também são mais rápidos, mas têm funcionalidade limitada, como não podem simular rotadores de polarização. Um nível adicional é a transmissão e/ou simulação da matriz de espalhamento. Cada componente principal é reduzido a um componente com entrada e saída, e o guia de ondas conectado é reduzido a um elemento de mudança de fase e atenuação. Essas simulações são extremamente rápidas. O sinal de saída é obtido multiplicando 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 geralmente é duas vezes maior que a matriz de transmissão em cada dimensão. Em resumo, do 3D EM à simulação da matriz de transmissão/espalhamento, cada camada de simulação apresenta uma troca entre velocidade e precisão, e os designers escolhem o nível certo de simulação para suas necessidades específicas para 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 toda a PIC não garante um design completamente correto na frente da placa de fluxo. Por exemplo, comprimentos de caminho calculado mal, guias de ondas multimodo que não conseguem suprimir efetivamente os modos de alta ordem, ou dois guias de ondas que estão muito próximos um do outro, levando a problemas de acoplamento inesperados provavelmente não serão detectados durante a simulação. Portanto, embora as ferramentas avançadas de simulação forneçam poderosos recursos de validação de design, ela ainda requer um alto grau de vigilância e uma inspeção cuidadosa pelo designer, combinada com experiência prática e conhecimento técnico, para garantir a precisão e a confiabilidade do projeto e reduzir o risco da folha de fluxo.
Uma técnica chamada Sparse FDTD permite que as simulações de FDTD 3D e 2D sejam executadas diretamente em um design completo de PIC para validar o design. Embora seja difícil para qualquer ferramenta de simulação eletromagnética para simular uma PIC em grande escala, o FDTD esparso é capaz de simular uma área local bastante grande. No FDTD 3D tradicional, a simulação começa inicializando os seis componentes do campo eletromagnético dentro de um volume quantizado específico. À medida que o tempo avança, o novo componente de campo no volume é calculado e assim por diante. Cada etapa requer muito cálculo, por isso leva muito tempo. No Sparso 3D FDTD, em vez de calcular em cada etapa em cada ponto do volume, é mantida uma lista de componentes de campo que pode teoricamente corresponder a um volume arbitrariamente grande e ser calculado apenas para esses componentes. A cada etapa do tempo, são adicionados pontos adjacentes aos componentes de campo, enquanto os componentes de campo abaixo de um determinado limite de energia são descartados. Para algumas estruturas, esse cálculo pode ser várias ordens de magnitude mais rápidas que o 3D FDTD tradicional. No entanto, os FDTDs esparsos não têm um bom desempenho ao lidar com estruturas dispersivas, porque esse campo de tempo se espalha demais, resultando em listas muito longas e difíceis de gerenciar. A Figura 1 mostra um exemplo de captura de tela de uma simulação 3D FDTD semelhante a um divisor de feixe de polarização (PBS).
Figura 1: Resultados da simulação do 3D Sparso FDTD. (A) é uma visão superior da estrutura que está sendo simulada, que é um acoplador direcional. (B) mostra uma captura de tela de uma simulação usando excitação quase-te. Os dois diagramas acima mostram a visão superior dos sinais quase-te e quase-tm, e os dois diagramas abaixo mostram a vista transversal correspondente. (C) mostra uma captura de tela de uma simulação usando excitação quase-tm.
Hora de postagem: Jul-23-2024