Disenyo ng photonic integrated circuit

Disenyo ngphotonicpinagsamang circuit

Photonic integrated circuits(PIC) ay madalas na idinisenyo sa tulong ng mga mathematical script dahil sa kahalagahan ng haba ng path sa mga interferometer o iba pang mga application na sensitibo sa haba ng path.PICay ginawa sa pamamagitan ng pattering ng maramihang mga layer (karaniwang 10 hanggang 30) sa isang wafer, na binubuo ng maraming polygonal na hugis, na kadalasang kinakatawan sa GDSII na format. Bago ipadala ang file sa tagagawa ng photomask, lubos na kanais-nais na magawang gayahin ang PIC upang i-verify 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 ginagawa sa sub-wavelength na antas, bagama't ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga atomo sa materyal ay hinahawakan sa macroscopic scale. Kasama sa mga karaniwang pamamaraan ang three-dimensional na finite-difference na Time-domain (3D FDTD) at eigenmode expansion (EME). Ang mga pamamaraan na ito ay ang pinaka-tumpak, ngunit hindi praktikal para sa buong PIC simulation time. Ang susunod na antas ay 2.5-dimensional EM simulation, gaya ng finite-difference beam propagation (FD-BPM). Ang mga pamamaraang ito ay mas mabilis, ngunit isakripisyo ang ilang katumpakan at maaari lamang pangasiwaan ang paraxial propagation at hindi maaaring gamitin upang gayahin ang mga resonator, halimbawa. Ang susunod na antas ay 2D EM simulation, gaya ng 2D FDTD at 2D BPM. Mas mabilis din ang mga ito, ngunit may limitadong functionality, tulad ng hindi nila maaaring gayahin ang mga rotator ng polarization. Ang karagdagang 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 na elemento. Ang mga simulation na ito ay napakabilis. Ang output signal ay nakuha sa pamamagitan ng pagpaparami ng transmission matrix sa input signal. Ang scattering matrix (na ang mga elemento ay tinatawag na S-parameter) ay nagpaparami ng input at output signal sa isang gilid upang mahanap ang input at output signal sa kabilang panig ng component. Karaniwan, ang scattering matrix ay naglalaman ng pagmuni-muni sa loob ng elemento. Ang scattering matrix ay karaniwang dalawang beses na mas malaki 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 validation ng disenyo.

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

Ang isang pamamaraan na tinatawag na sparse FDTD ay nagbibigay-daan sa 3D at 2D FDTD simulation na direktang gumanap sa isang kumpletong disenyo ng PIC upang mapatunayan ang disenyo. Kahit na mahirap para sa anumang electromagnetic simulation tool na gayahin ang isang napakalaking sukat na PIC, ang kalat-kalat na FDTD ay nagagawang gayahin ang isang medyo malaking lokal na lugar. Sa tradisyonal na 3D FDTD, magsisimula ang simulation sa pamamagitan ng pagsisimula sa anim na bahagi ng electromagnetic field sa loob ng isang partikular na quantized volume. Habang tumatagal, ang bagong bahagi ng field sa volume ay kinakalkula, at iba pa. Ang bawat hakbang ay nangangailangan ng maraming kalkulasyon, kaya ito ay tumatagal ng mahabang panahon. Sa kalat-kalat na 3D FDTD, sa halip na kalkulahin sa bawat hakbang sa bawat punto ng volume, pinapanatili ang isang listahan ng mga bahagi ng field na ayon sa teorya ay maaaring tumutugma sa isang arbitraryong malaking volume at kalkulahin lamang para sa mga bahaging iyon. Sa bawat hakbang na oras, ang mga puntong katabi ng mga bahagi ng field ay idinaragdag, habang ang mga bahagi ng field sa ibaba ng isang tiyak na limitasyon ng kapangyarihan ay ibinababa. Para sa ilang istruktura, ang pag-compute na ito ay maaaring ilang mga order ng magnitude na mas mabilis kaysa sa tradisyonal na 3D FDTD. Gayunpaman, ang kalat-kalat na FDTDS ay hindi gumaganap nang maayos kapag nakikitungo sa mga dispersive na istruktura dahil ang field ng oras na ito ay masyadong kumakalat, na nagreresulta sa mga listahang masyadong mahaba at mahirap pangasiwaan. Ipinapakita ng Figure 1 ang isang halimbawang screenshot ng isang 3D FDTD simulation na katulad ng isang polarization beam splitter (PBS).

Figure 1: Mga resulta ng simulation mula sa 3D sparse FDTD. Ang (A) ay isang nangungunang view ng istraktura na 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 pinakamataas na view ng quasi-TE at quasi-TM signal, at ang dalawang diagram sa ibaba ay nagpapakita ng kaukulang cross-sectional na view. (C) Nagpapakita ng screenshot ng simulation gamit ang quasi-TM excitation.