Conception dephotoniquecircuit intégré
Circuits intégrés photoniques(PIC) sont souvent conçus à l'aide de scripts mathématiques en raison de l'importance de la longueur du trajet dans les interféromètres ou d'autres applications sensibles à la longueur du trajet.PICest fabriqué en dessinant plusieurs couches (généralement 10 à 30) sur une plaquette, composées de nombreuses formes polygonales, souvent représentées au format GDSII. Avant d'envoyer le fichier au fabricant du photomasque, il est fortement souhaitable de pouvoir simuler le PIC pour vérifier l'exactitude de la conception. La simulation est divisée en plusieurs niveaux : le niveau le plus bas est la simulation électromagnétique tridimensionnelle (EM), où la simulation est effectuée au niveau sous-longueur d'onde, bien que les interactions entre les atomes du matériau soient traitées à l'échelle macroscopique. Les méthodes typiques incluent le domaine temporel tridimensionnel aux différences finies (3D FDTD) et l'expansion des modes propres (EME). Ces méthodes sont les plus précises, mais ne sont pas pratiques pendant toute la durée de la simulation PIC. Le niveau suivant est la simulation EM en 2,5 dimensions, telle que la propagation de faisceaux par différences finies (FD-BPM). Ces méthodes sont beaucoup plus rapides, mais sacrifient une certaine précision et ne peuvent gérer que la propagation paraxiale et ne peuvent pas être utilisées pour simuler des résonateurs, par exemple. Le niveau suivant est la simulation EM 2D, telle que 2D FDTD et 2D BPM. Ceux-ci sont également plus rapides, mais ont des fonctionnalités limitées, par exemple, ils ne peuvent pas simuler des rotateurs de polarisation. Un autre niveau est la simulation de matrice de transmission et/ou de diffusion. Chaque composant majeur est réduit à un composant avec entrée et sortie, et le guide d'ondes connecté est réduit à un élément de déphasage et d'atténuation. Ces simulations sont extrêmement rapides. Le signal de sortie est obtenu en multipliant la matrice de transmission par le signal d'entrée. La matrice de diffusion (dont les éléments sont appelés paramètres S) multiplie les signaux d'entrée et de sortie d'un côté pour trouver les signaux d'entrée et de sortie de l'autre côté du composant. Fondamentalement, la matrice de diffusion contient la réflexion à l’intérieur de l’élément. La matrice de diffusion est généralement deux fois plus grande que la matrice de transmission dans chaque dimension. En résumé, de l'EM 3D à la simulation de matrice de transmission/diffusion, chaque couche de simulation présente un compromis entre vitesse et précision, et les concepteurs choisissent le niveau de simulation adapté à leurs besoins spécifiques afin d'optimiser le processus de validation de la conception.
Cependant, s'appuyer sur une simulation électromagnétique de certains éléments et utiliser une matrice de diffusion/transfert pour simuler l'ensemble du PIC ne garantit pas une conception totalement correcte devant la plaque d'écoulement. Par exemple, des longueurs de trajet mal calculées, des guides d'ondes multimodes qui ne parviennent pas à supprimer efficacement les modes d'ordre élevé ou deux guides d'ondes trop proches l'un de l'autre entraînant des problèmes de couplage inattendus risquent de ne pas être détectés lors de la simulation. Par conséquent, même si les outils de simulation avancés offrent de puissantes capacités de validation de conception, ils nécessitent néanmoins un degré élevé de vigilance et une inspection minutieuse de la part du concepteur, combinés à une expérience pratique et à des connaissances techniques, pour garantir l'exactitude et la fiabilité de la conception et réduire le risque de défaillance. organigramme.
Une technique appelée sparse FDTD permet d'effectuer des simulations FDTD 3D et 2D directement sur une conception PIC complète pour valider la conception. Bien qu’il soit difficile pour tout outil de simulation électromagnétique de simuler un PIC à très grande échelle, le FDTD clairsemé est capable de simuler une zone locale assez vaste. Dans le FDTD 3D traditionnel, la simulation commence par l'initialisation des six composantes du champ électromagnétique dans un volume quantifié spécifique. Au fil du temps, la nouvelle composante du champ dans le volume est calculée, et ainsi de suite. Chaque étape demande beaucoup de calculs, donc cela prend beaucoup de temps. Dans le FDTD 3D clairsemé, au lieu de calculer à chaque étape en chaque point du volume, une liste de composants de champ est conservée qui peut théoriquement correspondre à un volume arbitrairement grand et être calculée uniquement pour ces composants. À chaque pas de temps, les points adjacents aux composants du champ sont ajoutés, tandis que les composants du champ inférieurs à un certain seuil de puissance sont supprimés. Pour certaines structures, ce calcul peut être plusieurs ordres de grandeur plus rapide que le FDTD 3D traditionnel. Cependant, les FDTDS clairsemés ne fonctionnent pas bien lorsqu'il s'agit de structures dispersives car ce champ temporel s'étend trop, ce qui entraîne des listes trop longues et difficiles à gérer. La figure 1 montre un exemple de capture d'écran d'une simulation FDTD 3D similaire à un séparateur de faisceau de polarisation (PBS).
Figure 1 : Résultats de simulation du FDTD clairsemé 3D. (A) est une vue de dessus de la structure simulée, qui est un coupleur directionnel. (B) Montre une capture d’écran d’une simulation utilisant une excitation quasi-TE. Les deux diagrammes ci-dessus montrent la vue de dessus des signaux quasi-TE et quasi-TM, et les deux diagrammes ci-dessous montrent la vue en coupe correspondante. (C) Montre une capture d’écran d’une simulation utilisant une excitation quasi-TM.
Heure de publication : 23 juillet 2024