Design vun engem photoneschen integréierte Schaltkrees

Design vunphotoneschintegréiert Schaltung

Photonesch integréiert Schaltungen(PIC) ginn dacks mat Hëllef vu mathematesche Skripter entwéckelt wéinst der Wichtegkeet vun der Weelängt an Interferometer oder aner Uwendungen, déi empfindlech op d'Weelängt sinn.Bildgëtt hiergestallt andeems verschidde Schichten (typesch 10 bis 30) op engem Wafer gepatrounéiert ginn, déi aus ville polygonale Formen zesummegesat sinn, déi dacks am GDSII-Format duergestallt ginn. Ier d'Datei un de Fotomaskenhersteller geschéckt gëtt, ass et staark wënschenswäert, de PIC ze simuléieren, fir d'Korrektheet vum Design ze verifizéieren. D'Simulatioun ass a verschidde Niveauen opgedeelt: den niddregsten Niveau ass déi dräidimensional elektromagnetesch (EM) Simulatioun, wou d'Simulatioun um Subwellenlängtenniveau duerchgefouert gëtt, obwuel d'Interaktiounen tëscht Atomer am Material op makroskopescher Skala behandelt ginn. Typesch Methoden enthalen dräidimensional Finite-Difference Time-Domain (3D FDTD) an Eigenmodus-Expansioun (EME). Dës Methode sinn am geneesten, awer si sinn onpraktesch fir déi ganz PIC-Simulatiounszäit. Den nächsten Niveau ass 2,5-dimensional EM Simulatioun, wéi Finite-Difference Strale Propagation (FD-BPM). Dës Methode si vill méi séier, awer verzichten op eng gewëssen Genauegkeet a kënnen nëmmen paraxial Propagatioun handhaben a kënnen net benotzt ginn, fir Resonatoren ze simuléieren, zum Beispill. Den nächsten Niveau ass 2D EM Simulatioun, wéi 2D FDTD an 2D BPM. Dës si och méi séier, awer hunn limitéiert Funktionalitéit, well se keng Polarisatiounsrotatoren simuléiere kënnen. En weideren Niveau ass d'Transmissiouns- an/oder d'Streematrix Simulatioun. All Haaptkomponent gëtt op eng Komponent mat Input an Output reduzéiert, an de verbonnene Wellenleiter gëtt op e Phasenverschiebungs- an Dämpfungselement reduzéiert. Dës Simulatioune si extrem séier. Den Outputsignal gëtt kritt andeems d'Transmissiounsmatrix mam Inputsignal multiplizéiert gëtt. D'Streematrix (deenen seng Elementer S-Parameter genannt ginn) multiplizéiert d'Input- an Outputsignaler op enger Säit fir d'Input- an Outputsignaler op der anerer Säit vun der Komponent ze fannen. Am Fong enthält d'Streematrix d'Reflexioun am Element. D'Streematrix ass normalerweis duebel sou grouss wéi d'Transmissiounsmatrix an all Dimensioun. Zesummegefaasst, vun 3D EM bis zur Transmissiouns-/Streematrix Simulatioun, stellt all Schicht vun der Simulatioun en Ofwägung tëscht Geschwindegkeet a Genauegkeet duer, an d'Designer wielen dat richtegt Simulatiounsniveau fir hir spezifesch Bedierfnesser fir den Designvalidatiounsprozess ze optimiséieren.

Wéi och ëmmer, wann een sech op eng elektromagnetesch Simulatioun vu bestëmmten Elementer verléisst an eng Streu-/Transfermatrix benotzt fir de ganze PIC ze simuléieren, garantéiert dat net en komplett korrekten Design virun der Flossplack. Zum Beispill, falsch berechent Weelängten, Multimode-Wellenleiter, déi et net fäerdeg bréngen, héich Uerdnungsmodi effektiv z'ënnerdrécken, oder zwee Wellenleiter, déi ze no beienee sinn, wat zu onerwaarte Kopplungsproblemer féiert, ginn während der Simulatioun wahrscheinlech net entdeckt. Dofir, obwuel fortgeschratt Simulatiounsinstrumenter mächteg Designvalidéierungsméiglechkeeten ubidden, erfuerdert et ëmmer nach en héije Grad u Wachsamkeet an eng virsiichteg Inspektioun vum Designer, kombinéiert mat praktescher Erfahrung an techneschem Wëssen, fir d'Genauegkeet an d'Zouverlässegkeet vum Design ze garantéieren an de Risiko vum Flossschema ze reduzéieren.

Eng Technik mam Numm spärlech FDTD erlaabt et, 3D- an 2D-FDTD-Simulatiounen direkt op engem komplette PIC-Design duerchzeféieren, fir den Design ze validéieren. Och wann et fir all elektromagnetescht Simulatiounsinstrument schwéier ass, e ganz grousse PIC ze simuléieren, kann de spärleche FDTD e relativ grousst lokalt Gebitt simuléieren. Am traditionellen 3D-FDTD fänkt d'Simulatioun domat un, datt déi sechs Komponente vum elektromagnetesche Feld an engem spezifesche quantiséierte Volumen initialiséiert ginn. Mat der Zäit gëtt déi nei Feldkomponent am Volumen berechent, asw. All Schrëtt erfuerdert vill Berechnung, sou datt et laang dauert. Am spärleche 3D-FDTD gëtt, amplaz bei all Schrëtt op all Punkt vum Volumen ze berechnen, eng Lëscht vu Feldkomponenten gefouert, déi theoretesch engem arbiträr grousse Volumen entspriechen a nëmme fir dës Komponenten berechent ginn. Bei all Zäitschratt ginn Punkten nieft Feldkomponenten derbäigesat, während Feldkomponenten ënner engem bestëmmte Leeschtungsschwellwäert ewechgelooss ginn. Fir verschidde Strukturen kann dës Berechnung e puer Gréisstenuerdnungen méi séier sinn wéi beim traditionellen 3D-FDTD. Wéi och ëmmer, spuersam FDTDS funktionéieren net gutt wann et ëm dispersive Strukturen geet, well dëst Zäitfeld sech ze vill ausbreet, wat zu Lëschten féiert, déi ze laang a schwéier ze verwalten sinn. Figur 1 weist e Beispill-Screenshot vun enger 3D FDTD Simulatioun ähnlech wéi e Polarisatiounsstrahlsplitter (PBS).

Figur 1: Simulatiounsresultater vun engem 3D-Spars FDTD. (A) ass eng Vue vun uewen op d'Struktur, déi simuléiert gëtt, nämlech e Richtungskopler. (B) Weist e Screenshot vun enger Simulatioun mat Quasi-TE-Anregung. Déi zwee Diagrammer uewen weisen d'Vue vun uewen op d'Quasi-TE- a Quasi-TM-Signaler, an déi zwee Diagrammer ënnen weisen déi entspriechend Querschnittsvue. (C) Weist e Screenshot vun enger Simulatioun mat Quasi-TM-Anregung.