のデザインフォトニック統合回路
フォトニック統合回路（PIC）は、干渉計またはパスの長さに敏感な他のアプリケーションでのパス長の重要性のために、数学的スクリプトの助けを借りて多くの場合設計されています。写真GDSII形式でしばしば表される多くの多角形の形状で構成されるウェーハ上に複数の層（通常10〜30）をパターン化することによって製造されます。ファイルをPhotomaskメーカーに送信する前に、PICをシミュレートして設計の正確性を確認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割されます。最小レベルは、材料の原子間の相互作用は膨大な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る3次元電磁（EM）シミュレーションです。典型的な方法には、3次元の有限差分時間ドメイン（3D FDTD）および固有モード拡張（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、ある程度の精度を犠牲にし、傍軸の伝播のみを処理することができ、例えば共振器をシミュレートするために使用することはできません。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、偏光回転器をシミュレートできないなど、機能が限られています。さらにレベルは、送信および/または散乱マトリックスシミュレーションです。各主要なコンポーネントは、入力と出力のある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と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、透過マトリックスに入力信号を掛けることによって取得されます。散乱マトリックス（要素はSパラメーターと呼ばれます）は、一方の側の入力信号と出力信号を掛けて、コンポーネントの反対側の入力信号と出力信号を見つけます。基本的に、散乱行列には要素内の反射が含まれています。散乱マトリックスは通常、各寸法の透過マトリックスの2倍の大きさです。要約すると、3D EMから送信/散乱マトリックスシミュレーションまで、シミュレーションの各レイヤーは速度と精度のトレードオフを示し、設計者は設計検証プロセスを最適化するための特定のニーズに合ったシミュレーションの適切なレベルを選択します。
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/転送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デザインを保証するものではありません。たとえば、誤算されたパスの長さ、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、または互いに近すぎる2つの導波路は、予期しない結合の問題につながるシミュレーション中に検出される可能性があります。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、フローシートのリスクを軽減するために、実務経験と技術的知識と組み合わせて、デザイナーによる高度な警戒と慎重な検査が必要です。
SPARSE FDTDと呼ばれる手法により、3Dおよび2D FDTDシミュレーションを完全なPICデザインで直接実行して設計を検証できます。電磁シミュレーションツールが非常に大規模なPICをシミュレートすることは困難ですが、まばらなFDTDはかなり大きなローカルエリアをシミュレートすることができます。従来の3D FDTDでは、シミュレーションは、特定の量子容積内の電磁場の6つのコンポーネントを初期化することから始まります。時間が進むにつれて、ボリュームの新しいフィールドコンポーネントが計算されます。各ステップには多くの計算が必要なため、長い時間がかかります。スパース3D FDTDでは、ボリュームの各ポイントの各ステップで計算する代わりに、理論的には任意の大量に対応し、それらのコンポーネントに対し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。各時間ステップで、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、特定のパワーしきい値の下のフィールドコンポーネントがドロップされます。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可能性があります。ただし、分散構造を扱うときはまばらなFDTDはうまく機能しません。この時間フィールドは広がりすぎて、長すぎて管理が困難なリストになります。図1は、偏光ビームスプリッター（PBS）と同様の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）シミュレートされている構造のトップビューであり、方向カプラーです。 （b）準テ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ています。上記の2つの図は、準テ信号とQuasi-TM信号の上面図を示しており、以下の2つの図は、対応する断面ビューを示しています。 （c）Quasi-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。
投稿時間：7月23日 - 2024年