Disinn ta'fotonikuċirkwit integrat
Ċirkwiti integrati fotoniċi(PIC) ħafna drabi huma ddisinjati bl-għajnuna ta' skripts matematiċi minħabba l-importanza tat-tul tal-mogħdija f'interferometri jew applikazzjonijiet oħra li huma sensittivi għat-tul tal-mogħdija.PIChuwa manifatturat billi jiġu mmudellati diversi saffi (tipikament 10 sa 30) fuq wejfer, li huma magħmula minn ħafna forom poligonali, ħafna drabi rappreżentati fil-format GDSII. Qabel ma jintbagħat il-fajl lill-manifattur tal-fotomaskra, huwa mixtieq ħafna li tkun tista' tissimula l-PIC biex tivverifika l-korrettezza tad-disinn. Is-simulazzjoni hija maqsuma f'diversi livelli: l-aktar livell baxx huwa s-simulazzjoni elettromanjetika tridimensjonali (EM), fejn is-simulazzjoni titwettaq fil-livell sub-wavelength, għalkemm l-interazzjonijiet bejn l-atomi fil-materjal huma ttrattati fuq skala makroskopika. Metodi tipiċi jinkludu Time-domain b'differenza finita tridimensjonali (3D FDTD) u eigenmode expansion (EME). Dawn il-metodi huma l-aktar preċiżi, iżda mhumiex prattiċi għall-ħin kollu tas-simulazzjoni tal-PIC. Il-livell li jmiss huwa simulazzjoni EM 2.5-dimensjonali, bħall-propagazzjoni tar-raġġ b'differenza finita (FD-BPM). Dawn il-metodi huma ħafna aktar mgħaġġla, iżda jissagrifikaw xi preċiżjoni u jistgħu jimmaniġġjaw biss il-propagazzjoni parassjali u ma jistgħux jintużaw biex jissimulaw ir-reżonaturi, pereżempju. Il-livell li jmiss huwa s-simulazzjoni 2D EM, bħal 2D FDTD u 2D BPM. Dawn huma wkoll aktar veloċi, iżda għandhom funzjonalità limitata, bħal pereżempju li ma jistgħux jissimulaw rotaturi tal-polarizzazzjoni. Livell ieħor huwa s-simulazzjoni tal-matriċi tat-trażmissjoni u/jew tat-tifrix. Kull komponent ewlieni jitnaqqas għal komponent b'input u output, u l-gwida tal-mewġ konnessa titnaqqas għal element ta' spostament tal-fażi u attenwazzjoni. Dawn is-simulazzjonijiet huma estremament veloċi. Is-sinjal tal-output jinkiseb billi l-matriċi tat-trażmissjoni tiġi mmultiplikata bis-sinjal tad-dħul. Il-matriċi tat-tifrix (li l-elementi tagħha jissejħu parametri-S) timmultiplika s-sinjali tad-dħul u tal-output fuq naħa waħda biex issib is-sinjali tad-dħul u tal-output fuq in-naħa l-oħra tal-komponent. Bażikament, il-matriċi tat-tifrix fiha r-riflessjoni ġewwa l-element. Il-matriċi tat-tifrix ġeneralment tkun darbtejn akbar mill-matriċi tat-trażmissjoni f'kull dimensjoni. Fil-qosor, minn 3D EM għal simulazzjoni tal-matriċi tat-trażmissjoni/tifrix, kull saff ta' simulazzjoni jippreżenta kompromess bejn il-veloċità u l-eżattezza, u d-disinjaturi jagħżlu l-livell it-tajjeb ta' simulazzjoni għall-bżonnijiet speċifiċi tagħhom biex jottimizzaw il-proċess ta' validazzjoni tad-disinn.
Madankollu, id-dipendenza fuq is-simulazzjoni elettromanjetika ta' ċerti elementi u l-użu ta' matriċi ta' tifrix/trasferiment biex jiġi simulat il-PIC kollu ma jiggarantixxix disinn kompletament korrett quddiem il-pjanċa tal-fluss. Pereżempju, tulijiet ta' mogħdijiet ikkalkulati ħażin, gwidi tal-mewġ multimodali li jonqsu milli jrażżnu b'mod effettiv il-modi ta' ordni għolja, jew żewġ gwidi tal-mewġ li huma qrib wisq ta' xulxin li jwasslu għal problemi ta' akkoppjar mhux mistennija x'aktarx li ma jiġux skoperti waqt is-simulazzjoni. Għalhekk, għalkemm għodod ta' simulazzjoni avvanzati jipprovdu kapaċitajiet qawwija ta' validazzjoni tad-disinn, xorta waħda jeħtieġ grad għoli ta' viġilanza u spezzjoni bir-reqqa mid-disinjatur, flimkien ma' esperjenza prattika u għarfien tekniku, biex tiġi żgurata l-eżattezza u l-affidabbiltà tad-disinn u jitnaqqas ir-riskju tal-iskeda tal-fluss.
Teknika msejħa FDTD sparsa tippermetti li simulazzjonijiet 3D u 2D FDTD jitwettqu direttament fuq disinn PIC komplut biex jivvalidaw id-disinn. Għalkemm huwa diffiċli għal kwalunkwe għodda ta' simulazzjoni elettromanjetika li tissimula PIC fuq skala kbira ħafna, l-FDTD sparsa hija kapaċi tissimula żona lokali pjuttost kbira. Fl-FDTD 3D tradizzjonali, is-simulazzjoni tibda billi jiġu inizjalizzati s-sitt komponenti tal-kamp elettromanjetiku f'volum kwantizzat speċifiku. Hekk kif jgħaddi ż-żmien, il-komponent il-ġdid tal-kamp fil-volum jiġi kkalkulat, eċċ. Kull pass jeħtieġ ħafna kalkolu, għalhekk jieħu ħafna żmien. Fl-FDTD 3D sparsa, minflok ma jiġi kkalkulat f'kull pass f'kull punt tal-volum, tinżamm lista ta' komponenti tal-kamp li teoretikament jistgħu jikkorrispondu għal volum arbitrarjament kbir u jiġu kkalkulati biss għal dawk il-komponenti. F'kull pass ta' żmien, jiżdiedu punti biswit il-komponenti tal-kamp, filwaqt li l-komponenti tal-kamp taħt ċertu limitu ta' qawwa jitneħħew. Għal xi strutturi, dan il-kalkolu jista' jkun diversi ordnijiet ta' kobor aktar mgħaġġel mill-FDTD 3D tradizzjonali. Madankollu, FDTDS sparsi ma jaħdmux tajjeb meta jittrattaw strutturi dispersivi għaliex dan il-kamp tal-ħin jinfirex wisq, u jirriżulta f'listi li huma twal wisq u diffiċli biex jiġu ġestiti. Il-Figura 1 turi eżempju ta' screenshot ta' simulazzjoni 3D FDTD simili għal polarization beam splitter (PBS).
Figura 1: Riżultati tas-simulazzjoni minn FDTD sparsa 3D. (A) hija veduta minn fuq tal-istruttura li qed tiġi simulata, li hija coupler direzzjonali. (B) Turi screenshot ta' simulazzjoni bl-użu ta' eċċitazzjoni kważi-TE. Iż-żewġ dijagrammi ta' hawn fuq juru l-veduta minn fuq tas-sinjali kważi-TE u kważi-TM, u ż-żewġ dijagrammi ta' hawn taħt juru l-veduta trasversali korrispondenti. (Ċ) Turi screenshot ta' simulazzjoni bl-użu ta' eċċitazzjoni kważi-TM.
Ħin tal-posta: 23 ta' Lulju 2024