Disenyo ng photonic integrated circuit

Disenyo ngpotonikopinagsamang sirkito

Mga photonic integrated circuit(PIC) ay kadalasang dinisenyo sa tulong ng mga mathematical script dahil sa kahalagahan ng haba ng landas sa mga interferometer o iba pang aplikasyon na sensitibo sa haba ng landas.PICay ginagawa sa pamamagitan ng pag-pattering ng maraming layer (karaniwan ay 10 hanggang 30) sa isang wafer, na binubuo ng maraming polygonal na hugis, na kadalasang kinakatawan sa GDSII format. Bago ipadala ang file sa tagagawa ng photomask, lubos na kanais-nais na ma-simulate ang PIC upang mapatunayan ang kawastuhan ng disenyo. Ang simulation ay nahahati sa maraming antas: ang pinakamababang antas ay ang three-dimensional electromagnetic (EM) simulation, kung saan ang simulation ay isinasagawa sa antas ng sub-wavelength, bagama't ang mga interaksyon sa pagitan ng mga atomo sa materyal ay hinahawakan sa macroscopic scale. Kasama sa mga karaniwang pamamaraan ang three-dimensional finite-difference Time-domain (3D FDTD) at eigenmode expansion (EME). Ang mga pamamaraang ito ang pinakatumpak, ngunit hindi praktikal para sa buong oras ng PIC simulation. Ang susunod na antas ay ang 2.5-dimensional EM simulation, tulad ng finite-difference beam propagation (FD-BPM). Ang mga pamamaraang ito ay mas mabilis, ngunit isinasakripisyo ang ilang katumpakan at maaari lamang humawak ng paraxial propagation at hindi maaaring gamitin upang gayahin ang mga resonator, halimbawa. Ang susunod na antas ay ang 2D EM simulation, tulad ng 2D FDTD at 2D BPM. Mas mabilis din ang mga ito, ngunit limitado ang kanilang functionality, tulad ng hindi nila kayang gayahin ang mga polarization rotator. Ang isa pang antas ay ang transmission at/o scattering matrix simulation. Ang bawat pangunahing bahagi ay binabawasan sa isang bahagi na may input at output, at ang konektadong waveguide ay binabawasan sa isang phase shift at attenuation element. Ang mga simulation na ito ay napakabilis. Ang output signal ay nakukuha sa pamamagitan ng pagpaparami ng transmission matrix sa input signal. Ang scattering matrix (na ang mga elemento ay tinatawag na S-parameters) ay nagpaparami ng input at output signal sa isang panig upang mahanap ang input at output signal sa kabilang panig ng bahagi. Sa madaling salita, ang scattering matrix ay naglalaman ng reflection sa loob ng elemento. Ang scattering matrix ay karaniwang doble ang laki kaysa sa transmission matrix sa bawat dimensyon. Sa buod, mula sa 3D EM hanggang sa transmission/scattering matrix simulation, ang bawat layer ng simulation ay nagpapakita ng trade-off sa pagitan ng bilis at katumpakan, at pinipili ng mga designer ang tamang antas ng simulation para sa kanilang mga partikular na pangangailangan upang ma-optimize ang proseso ng pagpapatunay ng disenyo.

Gayunpaman, ang pag-asa sa electromagnetic simulation ng ilang elemento at paggamit ng scattering/transfer matrix upang gayahin ang buong PIC ay hindi garantiya ng isang ganap na tamang disenyo sa harap ng flow plate. Halimbawa, ang maling kalkulasyon ng haba ng landas, mga multimode waveguide na hindi epektibong pumigil sa mga high-order mode, o dalawang waveguide na masyadong malapit sa isa't isa na humahantong sa mga hindi inaasahang problema sa coupling ay malamang na hindi matukoy sa panahon ng simulation. Samakatuwid, bagama't ang mga advanced na tool sa simulation ay nagbibigay ng makapangyarihang kakayahan sa pagpapatunay ng disenyo, nangangailangan pa rin ito ng mataas na antas ng pagbabantay at maingat na inspeksyon ng taga-disenyo, kasama ng praktikal na karanasan at teknikal na kaalaman, upang matiyak ang katumpakan at pagiging maaasahan ng disenyo at mabawasan ang panganib ng flow sheet.

Isang pamamaraan na tinatawag na sparse FDTD ang nagpapahintulot sa 3D at 2D FDTD simulations na maisagawa nang direkta sa isang kumpletong disenyo ng PIC upang mapatunayan ang disenyo. Bagama't mahirap para sa anumang electromagnetic simulation tool na gayahin ang isang napakalaking PIC, ang sparse FDTD ay kayang gayahin ang isang medyo malaking lokal na lugar. Sa tradisyonal na 3D FDTD, ang simulation ay nagsisimula sa pamamagitan ng pagsisimula ng anim na bahagi ng electromagnetic field sa loob ng isang partikular na quantized volume. Habang tumatagal ang panahon, ang bagong bahagi ng field sa volume ay kinakalkula, at iba pa. Ang bawat hakbang ay nangangailangan ng maraming kalkulasyon, kaya matagal itong tumatagal. Sa sparse 3D FDTD, sa halip na kalkulahin sa bawat hakbang sa bawat punto ng volume, isang listahan ng mga bahagi ng field ang pinapanatili na maaaring teoretikal na tumutugma sa isang arbitraryong malaking volume at kalkulahin lamang para sa mga bahaging iyon. Sa bawat hakbang, ang mga puntong katabi ng mga bahagi ng field ay idinaragdag, habang ang mga bahagi ng field na mas mababa sa isang tiyak na power threshold ay ibinababa. Para sa ilang mga istruktura, ang pagkalkulang ito ay maaaring ilang order ng magnitude na mas mabilis kaysa sa tradisyonal na 3D FDTD. Gayunpaman, ang mga sparse FDTDS ay hindi mahusay na gumaganap kapag nakikitungo sa mga dispersive structure dahil ang time field na ito ay masyadong kumakalat, na nagreresulta sa mga listahan na masyadong mahaba at mahirap pamahalaan. Ipinapakita ng Figure 1 ang isang halimbawang screenshot ng isang 3D FDTD simulation na katulad ng isang polarization beam splitter (PBS).

Pigura 1: Mga resulta ng simulasyon mula sa 3D sparse FDTD. Ang (A) ay isang top view ng istrukturang ginagaya, na isang directional coupler. (B) Nagpapakita ng screenshot ng isang simulation gamit ang quasi-TE excitation. Ang dalawang diagram sa itaas ay nagpapakita ng top view ng quasi-TE at quasi-TM signals, at ang dalawang diagram sa ibaba ay nagpapakita ng katumbas na cross-sectional view. (C) Nagpapakita ng screenshot ng isang simulation gamit ang quasi-TM excitation.