Projeto defotônicacircuito integrado
Circuitos integrados fotônicosOs circuitos integrados pictóricos (PIC) são frequentemente projetados com a ajuda de scripts matemáticos devido à importância do comprimento do percurso em interferômetros ou outras aplicações que são sensíveis ao comprimento do percurso.FOTOA fabricação de um circuito integrado fotônico (PIC) consiste na deposição de múltiplas camadas (tipicamente de 10 a 30) em um wafer, compostas por diversas formas poligonais, frequentemente representadas no formato GDSII. Antes de enviar o arquivo para o fabricante da fotomáscara, é altamente recomendável simular o PIC para verificar a correção do projeto. A simulação é dividida em múltiplos níveis: o nível mais básico é a simulação eletromagnética (EM) tridimensional, realizada em escala sub-comprimento de onda, embora as interações entre os átomos do material sejam tratadas em escala macroscópica. Métodos típicos incluem o método das diferenças finitas no domínio do tempo tridimensional (FDTD 3D) e a expansão de autovalores (EME). Esses métodos são os mais precisos, mas impraticáveis para todo o tempo de simulação do PIC. O próximo nível é a simulação EM bidimensional e meia, como a propagação de feixe por diferenças finitas (FD-BPM). Esses métodos são muito mais rápidos, mas sacrificam um pouco da precisão e só podem lidar com propagação paraxial, não sendo adequados para simular ressonadores, por exemplo. O próximo nível é a simulação eletromagnética 2D, como FDTD 2D e BPM 2D. Essas simulações também são mais rápidas, mas têm funcionalidade limitada, como a incapacidade de simular rotadores de polarização. Um nível adicional é a simulação de matriz de transmissão e/ou 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 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 geralmente tem o dobro do tamanho da matriz de transmissão em cada dimensão. Em resumo, da simulação eletromagnética 3D à simulação de matriz de transmissão/espalhamento, cada camada de simulação apresenta um equilíbrio entre velocidade e precisão, e os projetistas escolhem o nível de simulação adequado às suas necessidades específicas para otimizar o processo de validação do projeto.
Contudo, confiar na simulação eletromagnética de certos elementos e usar uma matriz de espalhamento/transferência para simular todo o circuito integrado fotônico (PIC) não garante um projeto completamente correto em frente à placa de fluxo. Por exemplo, comprimentos de caminho calculados incorretamente, 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 passarão despercebidos durante a simulação. Portanto, embora as ferramentas de simulação avançadas ofereçam poderosos recursos de validação de projeto, ainda é necessário 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 na placa de fluxo.
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 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. Conforme o tempo avança, o novo componente do campo no volume é calculado, e assim por diante. Cada etapa requer muitos cálculos, portanto, leva muito tempo. No FDTD 3D esparso, em vez de calcular a cada passo em cada ponto do volume, uma lista de componentes do campo é mantida, que pode teoricamente corresponder a um volume arbitrariamente grande e ser calculada apenas para esses componentes. A cada passo de tempo, pontos adjacentes aos componentes do campo são adicionados, enquanto os componentes do campo abaixo de um determinado limite de potência são descartados. Para algumas estruturas, esse cálculo pode ser várias ordens de magnitude mais rápido do que o FDTD 3D tradicional. No entanto, os algoritmos FDTD esparsos não apresentam bom desempenho ao lidar com estruturas dispersivas, pois o campo temporal 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 FDTD 3D semelhante a um divisor de feixe polarizador (PBS).
Figura 1: Resultados da simulação 3D esparsa FDTD. (A) Vista superior da estrutura simulada, que é um acoplador direcional. (B) 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) Captura de tela de uma simulação usando excitação quase-TM.
Data da publicação: 23/07/2024