光集積回路の設計

のデザインフォトニック集積回路

光集積回路(PIC) は、干渉計や経路長に敏感なその他のアプリケーションでは経路長が重要であるため、数学スクリプトを使用して設計されることがよくあります。写真は、ウェーハ上に複数の層 (通常は 10 ～ 30) をパターニングすることによって製造されます。これらの層は多くの多角形で構成されており、多くの場合 GDSII 形式で表されます。ファイルをフォトマスクの製造元に送信する前に、PIC をシミュレートして設計の正しさを検証できることが強く望まれます。シミュレーションは複数のレベルに分かれています。最下位レベルは 3 次元電磁気 (EM) シミュレーションで、材料内の原子間の相互作用は巨視的スケールで処理されますが、シミュレーションはサブ波長レベルで実行されます。典型的な方法には、3 次元有限差分時間領域 (3D FDTD) および固有モード展開 (EME) が含まれます。これらの方法は最も正確ですが、PIC シミュレーション時間全体では非現実的です。次のレベルは、有限差分ビーム伝播 (FD-BPM) などの 2.5 次元 EM シミュレーションです。これらの方法ははるかに高速ですが、ある程度の精度が犠牲になり、近軸伝播のみを処理できるため、共振器のシミュレーションなどには使用できません。次のレベルは、2D FDTD や 2D BPM などの 2D EM シミュレーションです。これらも高速ですが、偏光回転子をシミュレートできないなど、機能が制限されています。さらなるレベルは、透過および/または散乱行列シミュレーションです。各主要コンポーネントは入力と出力を備えたコンポーネントに縮小され、接続された導波路は位相シフトおよび減衰要素に縮小されます。これらのシミュレーションは非常に高速です。出力信号は、送信行列と入力信号を乗算することによって得られます。散乱行列 (その要素は S パラメータと呼ばれます) は、コンポーネントの一方の側の入力信号と出力信号を乗算して、コンポーネントのもう一方の側の入力信号と出力信号を求めます。基本的に、散乱行列には要素内の反射が含まれます。通常、散乱行列は各次元で透過行列の 2 倍の大きさになります。要約すると、3D EM から透過/散乱行列シミュレーションまで、シミュレーションの各層には速度と精度の間のトレードオフがあり、設計者は設計検証プロセスを最適化するために、特定のニーズに合わせて適切なレベルのシミュレーションを選択します。

ただし、特定の要素の電磁シミュレーションに依存し、散乱/伝達マトリックスを使用して PIC 全体をシミュレートしても、フロー プレートの前で完全に正しい設計が保証されるわけではありません。たとえば、経路長の計算ミス、高次モードを効果的に抑制できないマルチモード導波路、予期せぬ結合問題を引き起こす互いに近すぎる 2 つの導波路などは、シミュレーション中に検出されない可能性があります。したがって、高度なシミュレーション ツールは強力な設計検証機能を提供しますが、設計の精度と信頼性を確保し、設計のリスクを軽減するには、実際の経験と技術的知識を組み合わせた、設計者による高度な警戒と慎重な検査が必要です。フローシート。

スパース FDTD と呼ばれる手法を使用すると、完全な PIC デザインに対して 3D および 2D FDTD シミュレーションを直接実行してデザインを検証できます。電磁シミュレーション ツールでは非常に大規模な PIC をシミュレートすることは困難ですが、スパース FDTD はかなり広い局所領域をシミュレートできます。従来の 3D FDTD では、シミュレーションは、特定の量子化ボリューム内の電磁場の 6 つの成分を初期化することから始まります。時間の経過とともに、ボリューム内の新しいフィールド コンポーネントが計算されます。各ステップで多くの計算が必要になるため、時間がかかります。スパース 3D FDTD では、ボリュームの各点の各ステップで計算する代わりに、理論的には任意の大きなボリュームに対応し、それらのコンポーネントについてのみ計算できるフィールド コンポーネントのリストが維持されます。各タイム ステップで、フィールド コンポーネントに隣接するポイントが追加されますが、特定の電力しきい値を下回るフィールド コンポーネントは削除されます。一部の構造では、この計算は従来の 3D FDTD よりも数桁高速になる場合があります。ただし、スパース FDTDS は、分散構造を扱う場合にはうまく機能しません。これは、フィールドが広がりすぎて、リストが長すぎて管理が困難になるためです。図 1 は、偏光ビーム スプリッター (PBS) に類似した 3D FDTD シミュレーションのスクリーンショットの例を示しています。

図 1: 3D スパース FDTD のシミュレーション結果。 (A) は、シミュレーション対象の構造 (方向性結合器) の上面図です。 (B) 擬似 TE 励起を使用したシミュレーションのスクリーンショットを示します。上の 2 つの図は擬似 TE 信号と擬似 TM 信号の上面図を示し、下の 2 つの図は対応する断面図を示します。 (C) 擬似 TM 励起を使用したシミュレーションのスクリーンショットを示します。