Kujundusfootonintegraallülitus
Fotoonilised integraallülitused(PIC) kavandatakse sageli matemaatiliste skriptide abil, kuna interferomeetrites või muudes rakendustes, mis on tee pikkuse suhtes tundlikud, on tee pikkus oluline.PICvalmistatakse mitme kihi (tavaliselt 10 kuni 30) mustrite abil vahvlile, mis koosnevad paljudest hulknurksetest kujunditest, mida sageli kujutatakse GDSII formaadis. Enne faili saatmist fotomaski tootjale on tungivalt soovitav, et oleks võimalik PIC-i simuleerida, et kontrollida disaini õigsust. Simulatsioon on jagatud mitmeks tasemeks: madalaim tase on kolmemõõtmeline elektromagnetiline (EM) simulatsioon, kus simulatsioon viiakse läbi alamlainepikkuse tasemel, kuigi materjali aatomite vahelisi interaktsioone käsitletakse makroskoopilisel skaalal. Tüüpiliste meetodite hulka kuuluvad kolmemõõtmeline lõpliku diferentsiaaliga ajadomeen (3D FDTD) ja omamoodi laiendamine (EME). Need meetodid on kõige täpsemad, kuid kogu PIC-simulatsiooni aja jooksul ebapraktilised. Järgmine tase on 2,5-mõõtmeline EM-simulatsioon, näiteks lõpliku diferentsiaaliga kiire levik (FD-BPM). Need meetodid on palju kiiremad, kuid ohverdavad teatud täpsuse ja saavad hakkama ainult paraksiaalse levikuga ning neid ei saa kasutada näiteks resonaatorite simuleerimiseks. Järgmine tase on 2D elektromagnetiline simulatsioon, näiteks 2D FDTD ja 2D BPM. Need on samuti kiiremad, kuid piiratud funktsionaalsusega, näiteks ei saa nad simuleerida polarisatsioonipöörlejaid. Järgmine tase on ülekande- ja/või hajumismaatriksi simulatsioon. Iga suurem komponent taandatakse sisendi ja väljundiga komponendiks ning ühendatud lainejuht taandatakse faasinihke ja sumbumise elemendiks. Need simulatsioonid on äärmiselt kiired. Väljundsignaal saadakse ülekandemaatriksi korrutamisel sisendsignaaliga. Hajumismaatriks (mille elemente nimetatakse S-parameetriteks) korrutab sisend- ja väljundsignaalid ühelt poolt, et leida sisend- ja väljundsignaalid komponendi teiselt poolt. Põhimõtteliselt sisaldab hajumismaatriks elemendi sees olevat peegeldust. Hajumismaatriks on tavaliselt igas dimensioonis kaks korda suurem kui ülekandemaatriks. Kokkuvõttes, alates 3D elektromagnetilisest simulatsioonist kuni ülekande-/hajumismaatriksi simulatsioonini, pakub iga simulatsioonikiht kompromissi kiiruse ja täpsuse vahel ning disainerid valivad oma konkreetsetele vajadustele vastava simulatsioonitaseme, et optimeerida disaini valideerimisprotsessi.
Siiski ei taga teatud elementide elektromagnetilisele simulatsioonile tuginemine ja kogu PIC-i simuleerimiseks hajumis-/ülekandemaatriksi kasutamine täiesti korrektset disaini vooluplaadi ees. Näiteks valesti arvutatud teepikkused, mitmemoodilised lainejuhid, mis ei suuda kõrget järku moodi tõhusalt summutada, või kaks teineteisele liiga lähedal asuvat lainejuhti, mis põhjustavad ootamatuid sidestusprobleeme, jäävad simulatsiooni käigus tõenäoliselt avastamata. Seega, kuigi täiustatud simulatsioonitööriistad pakuvad võimsaid disaini valideerimisvõimalusi, nõuab see siiski projekteerijalt suurt valvsust ja hoolikat kontrolli koos praktiliste kogemuste ja tehniliste teadmistega, et tagada disaini täpsus ja usaldusväärsus ning vähendada vooskeemi ohtu.
Hõredaks FDTD-ks kutsutud tehnika võimaldab 3D- ja 2D-FDTD-simulatsioone teostada otse täielikul PIC-i disainil, et disaini valideerida. Kuigi ühelgi elektromagnetilise simulatsiooni tööriistal on keeruline simuleerida väga suures mahus PIC-i, suudab hõre FDTD simuleerida üsna suurt lokaalset ala. Traditsioonilises 3D FDTD-s algab simulatsioon elektromagnetvälja kuue komponendi initsialiseerimisega kindlas kvantiseeritud mahus. Aja möödudes arvutatakse mahu uus väljakomponent jne. Iga samm nõuab palju arvutusi, seega võtab see kaua aega. Hõredas 3D FDTD-s ei arvutata igas mahu punktis iga sammu asemel väljakomponente, mis teoreetiliselt vastavad suvaliselt suurele mahule ja mida saab arvutada ainult nende komponentide jaoks. Igal ajahetkel lisatakse väljakomponentidega külgnevad punktid, samas kui teatud võimsuslävest allapoole jäävad väljakomponendid jäetakse välja. Mõne struktuuri puhul võib see arvutus olla mitu suurusjärku kiirem kui traditsioonilises 3D FDTD-s. Hõredad FDTDS-id ei toimi aga hästi hajutatud struktuuride käsitlemisel, kuna see ajaväli laieneb liiga palju, mille tulemuseks on liiga pikad ja raskesti hallatavad loendid. Joonis 1 näitab 3D FDTD simulatsiooni näidisekraanipilti, mis sarnaneb polarisatsioonikiire jagajaga (PBS).
Joonis 1: 3D hõreda FDTD simulatsiooni tulemused. (A) on simuleeritava struktuuri, mis on suunatud sidur, pealtvaade. (B) Näitab kvaasi-TE ergastusega simulatsiooni ekraanipilti. Kaks ülaltoodud diagrammi näitavad kvaasi-TE ja kvaasi-TM signaalide pealtvaadet ning kaks allolevat diagrammi näitavad vastavat ristlõiget. (C) Näitab kvaasi-TM ergastusega simulatsiooni ekraanipilti.
Postituse aeg: 23. juuli 2024