Conception dephotoniquecircuit intégré
circuits intégrés photoniquesLes (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.PICLe photomasque est fabriqué en appliquant 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 recommandé de pouvoir simuler le PIC afin de vérifier l'exactitude de la conception. La simulation est divisée en plusieurs niveaux : le niveau le plus bas est la simulation électromagnétique (EM) tridimensionnelle, réalisée au niveau sub-longueur d'onde, bien que les interactions entre les atomes du matériau soient traitées à l'échelle macroscopique. Les méthodes courantes incluent la simulation tridimensionnelle par différences finies dans le domaine temporel (3D FDTD) et l'expansion en modes propres (EME). Ces méthodes sont les plus précises, mais peu pratiques pour la simulation complète du PIC. Le niveau suivant est la simulation EM en 2,5 dimensions, comme la propagation de faisceau par différences finies (FD-BPM). Ces méthodes sont beaucoup plus rapides, mais elles 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, comme la FDTD 2D et la BPM 2D. Ces simulations sont également plus rapides, mais leurs fonctionnalités sont limitées, notamment l'impossibilité de simuler les rotateurs de polarisation. Un niveau supplémentaire 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. En résumé, 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 la simulation 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 la simulation électromagnétique de certains éléments et utiliser une matrice de diffusion/transfert pour simuler l'ensemble du PIC ne garantit pas une conception parfaitement correcte avant la plaque d'écoulement. Par exemple, des longueurs de trajet erronées, des guides d'ondes multimodes ne supprimant pas 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 passer inaperçus lors de la simulation. Par conséquent, bien que les outils de simulation avancés offrent de puissantes capacités de validation de conception, une grande vigilance et une inspection minutieuse de la part du concepteur, combinées à une expérience pratique et à des connaissances techniques, sont nécessaires pour garantir la précision et la fiabilité de la conception et réduire les risques liés au schéma de procédé.
Une technique appelée FDTD creuse permet d'effectuer des simulations FDTD 3D et 2D directement sur une conception PIC complète afin de valider celle-ci. Bien qu'il soit difficile pour un outil de simulation électromagnétique de simuler un PIC de très grande taille, la FDTD creuse permet de simuler une zone locale relativement vaste. En FDTD 3D traditionnelle, 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 nécessite de nombreux calculs, ce qui est long. En FDTD 3D creuse, au lieu de calculer à chaque étape en chaque point du volume, une liste de composantes du champ est maintenue, pouvant théoriquement correspondre à un volume arbitrairement grand et être calculée uniquement pour ces composantes. À chaque pas de temps, des points adjacents aux composantes du champ sont ajoutés, tandis que les composantes inférieures à un certain seuil de puissance sont supprimées. Pour certaines structures, ce calcul peut être plusieurs ordres de grandeur plus rapide qu'en FDTD 3D traditionnelle. Cependant, les FDTDS clairsemés ne fonctionnent pas bien avec les structures dispersives, car ce champ temporel s'étale trop, ce qui produit des listes trop longues et difficiles à gérer. La figure 1 présente un exemple de capture d'écran d'une simulation FDTD 3D similaire à un séparateur de faisceau polarisé (PBS).
Figure 1 : Résultats de simulation par FDTD 3D clairsemée. (A) Vue de dessus de la structure simulée, un coupleur directionnel. (B) Capture d'écran d'une simulation utilisant une excitation quasi-TE. Les deux schémas ci-dessus illustrent la vue de dessus des signaux quasi-TE et quasi-TM, et les deux schémas ci-dessous illustrent la vue en coupe correspondante. (C) Capture d'écran d'une simulation utilisant une excitation quasi-TM.
Date de publication : 23 juillet 2024