Desain sirkuit terpadu fotonik

Desain tinapotoniksirkuit terpadu

Sirkuit terpadu fotonik(PIC) mindeng dirancang kalayan bantuan skrip matematik sabab pentingna panjang jalur dina interferometers atawa aplikasi sejenna anu sénsitip kana panjang jalur.PICdijieun ku pattering sababaraha lapisan (biasana 10 nepi ka 30) dina wafer, nu diwangun ku loba wangun polygonal, mindeng digambarkeun dina format GDSII. Sateuacan ngirim file ka produsén photomask, éta niatna desirable mun bisa simulate PIC pikeun pariksa correctness desain. Simulasi dibagi kana sababaraha tingkat: tingkat panghandapna nyaéta simulasi éléktromagnétik (EM) tilu diménsi, dimana simulasi dilaksanakeun dina tingkat sub-panjang gelombang, sanajan interaksi antara atom dina bahan diatur dina skala makroskopis. métode has ngawengku tilu diménsi wates-béda Time-domain (3D FDTD) jeung ékspansi eigenmode (EME). Metoda ieu paling akurat, tapi teu praktis pikeun sakabéh waktu simulasi PIC. Tingkat salajengna nyaéta simulasi EM 2,5 diménsi, sapertos rambatan sinar béda-terhingga (FD-BPM). Métode ieu langkung gancang, tapi ngorbankeun sababaraha akurasi sareng ngan ukur tiasa ngadamel rambatan paraxial sareng henteu tiasa dianggo pikeun simulasi resonator, contona. Tingkat salajengna nyaéta simulasi 2D EM, sapertos 2D FDTD sareng 2D BPM. Ieu oge leuwih gancang, tapi mibanda pungsi kawates, kayaning maranéhna teu bisa simulate rotator polarisasi. Tingkat salajengna nyaéta transmisi sareng / atanapi paburencay simulasi matriks. Unggal komponén utama diréduksi jadi komponén kalawan input sarta output, sarta waveguide disambungkeun diréduksi jadi hiji shift fase jeung unsur atenuasi. simulasi ieu pisan gancang. Sinyal kaluaran dicandak ku cara ngalikeun matriks transmisi ku sinyal input. Matriks paburencay (anu unsurna disebut S-parameter) ngalikeun sinyal input sareng kaluaran dina hiji sisi pikeun milarian sinyal input sareng kaluaran dina sisi sanésna komponén. Dasarna, matriks paburencay ngandung pantulan di jero unsur. Matriks paburencay biasana dua kali langkung ageung tibatan matriks transmisi dina unggal dimensi. Dina kasimpulan, ti 3D EM mun transmisi / scattering simulasi matrix, unggal lapisan simulasi presents a trade-off antara speed na akurasi, sarta désainer milih tingkat katuhu simulasi pikeun kaperluan husus maranéhna pikeun ngaoptimalkeun prosés validasi desain.

Sanajan kitu, ngandelkeun simulasi éléktromagnétik unsur nu tangtu sarta ngagunakeun paburencay / mindahkeun matrix mun simulate sakabéh PIC teu ngajamin desain lengkep bener di hareup piring aliran. Contona, panjang jalur salah ngitung, waveguides multimode nu gagal éféktif ngurangan modeu-urutan tinggi, atawa dua waveguides nu deukeut teuing ka silih ngarah kana masalah gandeng teu kaduga kamungkinan bakal balik undetected salila simulasi. Ku alatan éta, sanajan parabot simulasi canggih nyadiakeun kamampuhan validasi design kuat, éta masih merlukeun gelar luhur vigilance sarta inspeksi ati ku desainer, digabungkeun jeung pangalaman praktis jeung pangaweruh teknis, pikeun mastikeun akurasi jeung reliabilitas desain jeung ngurangan résiko tina. lambaran aliran.

Téhnik anu disebut sparse FDTD ngamungkinkeun simulasi 3D sareng 2D FDTD tiasa dilakukeun langsung dina desain PIC lengkep pikeun ngabuktoskeun desain. Sanajan hese pikeun sagala alat simulasi éléktromagnétik simulate PIC skala kacida gedéna, FDTD sparse bisa simulate wewengkon lokal cukup badag. Dina FDTD 3D tradisional, simulasi dimimitian ku initializing genep komponén médan éléktromagnétik dina volume quantized husus. Salaku waktu progresses, komponén widang anyar dina volume diitung, jeung saterusna. Unggal léngkah merlukeun loba itungan, jadi butuh waktu lila. Dina FDTD 3D sparse, tinimbang ngitung dina unggal hambalan dina unggal titik volume, daptar komponén widang dijaga nu sacara téoritis bisa pakait jeung volume wenang badag tur diitung ngan pikeun komponén maranéhanana. Dina unggal léngkah waktos, titik anu padeukeut sareng komponén médan ditambah, sedengkeun komponén médan sahandapeun ambang kakuatan anu tangtu diturunkeun. Kanggo sababaraha struktur, komputasi ieu tiasa sababaraha ordo gedéna langkung gancang tibatan FDTD 3D tradisional. Tapi, FDTDS anu jarang henteu ngalaksanakeun saé nalika nanganan struktur dispersif kusabab waktos ieu lapangan nyebar teuing, nyababkeun daptar anu panjang teuing sareng sesah diurus. angka 1 nembongkeun conto screenshot of simulasi 3D FDTD sarupa jeung splitter beam polarisasi (PBS).

angka 1: hasil simulasi tina 3D sparse FDTD. (A) mangrupakeun tempoan luhur tina struktur keur simulated, nu mangrupakeun coupler arah. (B) Némbongkeun screenshot tina simulasi ngagunakeun éksitasi kuasi-TE. Dua diagram di luhur nembongkeun tempoan luhur sinyal kuasi-TE jeung kuasi-TM, sarta dua diagram di handap nembongkeun pintonan cross-sectional pakait. (C) Némbongkeun screenshot tina simulasi maké éksitasi kuasi-TM.