Fotoonilise integraallülituse projekteerimine

Disainfotoonilineintegraallülitus

Fotoonilised integraallülitused(PIC) on sageli loodud matemaatiliste skriptide abil, kuna interferomeetrites või muudes rakendustes, mis on tee pikkuse suhtes tundlikud, on oluline teepikkus.PICon valmistatud mitme kihi (tavaliselt 10 kuni 30) mustrimisega vahvlile, mis koosnevad paljudest hulknurksetest kujunditest, mis on sageli esindatud GDSII-vormingus. Enne faili saatmist fotomaski tootjale on väga soovitav, et oleks võimalik simuleerida PIC-i, et kontrollida kujunduse õigsust. Simulatsioon on jagatud mitmeks tasandiks: madalaim tase on kolmemõõtmeline elektromagnetiline (EM) simulatsioon, kus simulatsioon viiakse läbi alamlainepikkuse tasemel, kuigi materjali aatomite vahelisi interaktsioone käsitletakse makroskoopilisel skaalal. Tüüpilised meetodid hõlmavad kolmemõõtmelist piiratud erinevusega ajadomeeni (3D FDTD) ja omarežiimi laiendamist (EME). Need meetodid on kõige täpsemad, kuid kogu PIC-simulatsiooni aja jooksul ebapraktilised. Järgmine tase on 2,5-mõõtmeline EM-simulatsioon, näiteks piiratud vahega kiirte levik (FD-BPM). Need meetodid on palju kiiremad, kuid ohverdavad teatud täpsust ja saavad hakkama ainult paraksiaalse levimisega ning neid ei saa kasutada näiteks resonaatorite simuleerimiseks. Järgmine tase on 2D EM simulatsioon, näiteks 2D FDTD ja 2D BPM. Need on ka kiiremad, kuid piiratud funktsionaalsusega, näiteks ei suuda simuleerida polarisatsioonirotaatoreid. Veel üks tase on ülekande- ja/või hajusmaatriksi simulatsioon. Iga põhikomponent taandatakse sisendi ja väljundiga komponendiks ning ühendatud lainejuht taandatakse faasinihke- ja sumbumiselemendiks. Need simulatsioonid on väga kiired. Väljundsignaal saadakse edastusmaatriksi korrutamisel sisendsignaaliga. Hajumismaatriks (mille elemente nimetatakse S-parameetriteks) korrutab sisend- ja väljundsignaalid ühel küljel, et leida sisend- ja väljundsignaalid komponendi teisel küljel. Põhimõtteliselt sisaldab hajumismaatriks peegeldust elemendi sees. Hajumismaatriks on tavaliselt igas mõõtmes kaks korda suurem kui ülekandemaatriks. Kokkuvõtteks võib öelda, et alates 3D EM-st kuni edastus-/hajumismaatriksi simulatsioonini pakub iga simulatsioonikiht kiiruse ja täpsuse vahelist kompromissi ning disainerid valivad oma konkreetsetele vajadustele sobiva simulatsioonitaseme, et optimeerida disaini valideerimisprotsessi.

Teatud elementide elektromagnetilisele simulatsioonile tuginemine ja hajuvus-/ülekandemaatriksi kasutamine kogu PIC-i simuleerimiseks ei taga aga täiesti õiget disaini vooluplaadi ees. Näiteks valesti arvutatud teepikkused, mitmemoodilised lainejuhid, mis ei suuda tõhusalt maha suruda kõrgetasemelisi režiime, või kaks teineteisele liiga lähedal asuvat lainejuhti, mis põhjustavad ootamatuid sidestusprobleeme, jäävad tõenäoliselt simulatsiooni ajal avastamata. Seega, kuigi täiustatud simulatsioonitööriistad pakuvad võimsaid disaini valideerimisvõimalusi, nõuab see siiski suurt valvsust ja disaineri hoolikat kontrolli koos praktiliste kogemuste ja tehniliste teadmistega, et tagada disaini täpsus ja usaldusväärsus ning vähendada projekteerimise riski. vooluleht.

Tehnika, mida nimetatakse hõredaks FDTD-ks, võimaldab 3D- ja 2D-FDTD-simulatsioone läbi viia otse täieliku PIC-projektiga, et kujundust kinnitada. Kuigi mis tahes elektromagnetilise simulatsiooni tööriista jaoks on raske väga suures mahus PIC-i simuleerida, suudab hõre FDTD simuleerida üsna suurt kohalikku ala. Traditsioonilises 3D FDTD-s algab simulatsioon elektromagnetvälja kuue komponendi initsialiseerimisega konkreetses kvantiseeritud mahus. Aja edenedes arvutatakse mahu uus väljakomponent jne. Iga samm nõuab palju arvutamist, nii et see võtab palju aega. Hõredas 3D-FDTD-s, selle asemel, et arvutada igas etapis ruumala igas punktis, peetakse välja komponentide loendit, mis võib teoreetiliselt vastata meelevaldselt suurele mahule ja mida saab arvutada ainult nende komponentide jaoks. Igas ajaetapis lisatakse väljakomponentidega külgnevad punktid, samas kui teatud võimsusläve all olevad väljakomponendid jäetakse välja. Mõne struktuuri puhul võib see arvutus olla mitu suurusjärku kiirem kui traditsiooniline 3D FDTD. Kuid hõredad FDTDS-id ei toimi hajutavate struktuuridega hästi, kuna see ajaväli levib liiga palju, mille tulemuseks on liiga pikad ja raskesti hallatavad loendid. Joonisel 1 on kujutatud 3D FDTD simulatsiooni näide, mis sarnaneb polarisatsioonikiire jagajale (PBS).

Joonis 1: 3D-hõreda FDTD simulatsioonitulemused. (A) on pealtvaade simuleeritavast struktuurist, mis on suunaühendus. (B) Näitab ekraanipilti kvaasi-TE ergastust kasutavast simulatsioonist. Kaks ülaltoodud diagrammi näitavad kvaasi-TE- ja kvaasi-TM-signaalide pealtvaadet ning kaks allolevat diagrammi vastavat ristlõikevaadet. (C) Näitab ekraanipilti kvaasi-TM-ergastust kasutavast simulatsioonist.


Postitusaeg: 23. juuli 2024