Projeto 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.FOTOé fabricado aplicando padrões em múltiplas camadas (normalmente 10 a 30) em um wafer, que é composto de muitas formas poligonais, geralmente representadas no formato GDSII. Antes de enviar o arquivo ao fabricante da fotomáscara, é altamente desejável poder simular o PIC para verificar a exatidão do desenho. A simulação é dividida em vários níveis: o nível mais baixo é a simulação eletromagnética tridimensional (EM), onde a simulação é realizada no nível do subcomprimento de onda, embora as interações entre os átomos no material sejam tratadas na escala macroscópica. Os métodos típicos incluem domínio de tempo de diferenças finitas tridimensionais (3D FDTD) e expansão de modo próprio (EME). Esses métodos são os mais precisos, mas são impraticáveis durante todo o tempo de simulação do PIC. O próximo nível é a simulação EM 2,5 dimensões, como propagação de feixe de diferenças finitas (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 EM 2D, como FDTD 2D e BPM 2D. Eles também são mais rápidos, mas têm funcionalidade limitada, pois não podem simular rotadores de polarização. Um outro nível é a simulação de matriz de transmissão e/ou dispersão. 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 dispersão (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, desde EM 3D até simulação de matriz de transmissão/dispersão, cada camada de simulação apresenta um compromisso entre velocidade e precisão, e os projetistas escolhem o nível certo de simulação para suas necessidades específicas para otimizar o processo de validação de 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 calculados incorretamente, guias de onda multimodo que não conseguem suprimir efetivamente os modos de ordem superior ou dois guias de onda que estão muito próximos um do outro, levando a problemas de acoplamento inesperados, provavelmente passarão despercebidos durante a simulação. Portanto, embora ferramentas avançadas de simulação forneçam poderosas capacidades de validação de projeto, elas ainda exigem um alto grau de vigilância e inspeção cuidadosa por parte do projetista, combinadas com experiência prática e conhecimento técnico, para garantir a precisão e confiabilidade do projeto e reduzir o risco de fluxograma.
Uma técnica chamada FDTD esparso permite que simulações FDTD 3D e 2D sejam realizadas diretamente em um projeto PIC completo para validar o projeto. Embora seja difícil para qualquer ferramenta de simulação eletromagnética simular um PIC em escala muito grande, 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 muitos cálculos, por isso leva muito tempo. No FDTD 3D esparso, em vez de calcular a cada passo em cada ponto do volume, é mantida uma lista de componentes de campo que podem teoricamente corresponder a um volume arbitrariamente grande e ser calculada apenas para esses componentes. A cada intervalo de tempo, pontos adjacentes aos componentes do campo são adicionados, enquanto os componentes do campo abaixo de um determinado limite de potência são eliminados. Para algumas estruturas, esse cálculo pode ser várias ordens de magnitude mais rápido que o FDTD 3D tradicional. No entanto, os FDTDS esparsos não funcionam bem quando lidam com estruturas dispersivas porque este campo de tempo se espalha demasiado, resultando em listas demasiado longas e difíceis de gerir. A Figura 1 mostra um exemplo de captura de tela de uma simulação FDTD 3D semelhante a um divisor de feixe de polarização (PBS).
Figura 1: Resultados de simulação de FDTD esparso 3D. (A) é uma vista 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 vista superior dos sinais quase-TE e quase-TM, e os dois diagramas abaixo mostram a vista em corte transversal correspondente. (C) mostra uma captura de tela de uma simulação usando excitação quase-TM.
Horário da postagem: 23 de julho de 2024