ВВЕДЕНИЕ

За прошедшие 50 лет оптоволоконная связь за счет низких потерь интенсивности сигнала стала доминирующей технологией для передачи данных на большие расстояния. Благодаря этому около 10 лет назад при использовании оптоволокна стал доступен бесплатный беспроводной интернет в московском метро. Сегодня оптоволокно уже применяется для проведения интернета в многоквартирные дома и на небольших расстояниях внутри дата-центров. На еще более маленьких расстояниях явления фотоники можно использовать для обеспечения коммуникации между отдельными IP-блоками чипа. Например, на основе фотонных сетей на кристалле уже есть попытки оптимизировать графические процессоры.

Чтобы предоставить отечественным компаниям возможность разрабатывать фотонные интегральные схемы и оптические сопроцессоры в условиях санкционного давления со стороны зарубежных стран, команда Т1 Интеграция, в рамках работ по созданию САПР инженерного анализа для электроники, разрабатывает систему автоматизированного проектирования и анализа пассивных фотонных компонентов, которая затем будет расширена до активных компонентов, например, модуляторов и лазеров, а также обеспечит связность между индивидуальными компонентами для проектирования законченных фотонных интегральных схем. Фотонной интегральной схемой является устройство с лазерами, детекторами, волноводами, модуляторами и другими пассивными и активными компонентами, которые работают друг с другом непосредственно на одном чипе.

Команда Т1 Интеграция, имеющая более чем двадцатилетний опыт создания программного обеспечения для инженерного анализа охлаждения электроники, предоставляет возможность инженерам-­проектировщикам воспользоваться преимуществами волноводной фотоники, с помощью которых они смогут выпускать устройства, характеризуемые более высокой скоростью передачи данных и практически отсутствием потерь. Благодаря тому, что фотоны являются бозонами, а не фермионами, как электроны, они могут находиться в одно и то же время в одном и том же месте. Это позволяет воспользоваться таким методом, как мультиплексирование по длине волны, первое упоминание о котором появилось более 30 лет назад. Мультиплексирование – это объединение нескольких сигналов на разных длинах волн в одном волокне для увеличения пропускной способности. А для кодирования информации могут быть использованы амплитуда, фаза или поляризация.

ПРОДУКТ TauLIGHT ОТ Т1

На текущий момент продукт предоставляет возможность выполнять инженерный анализ пассивных компонентов, например, волноводов с прямоугольным сечением, Y-делителей, многомодовых интерферометров, кольцевых резонаторов и других компонентов. Компоненты могут быть импортированы в GDSII-формате или в форматах широко распространенных САПР. На рис. 1 представлен интерфейс продукта от Т1 Интеграции.

После выполнения расчетов продукт позволяет получить распределения электромагнитных полей в произвольных сечениях геометрии и другие важные данные, например, эффективный показатель преломления, коэффициент отражения, коэффициент передачи, матрицы рассеяния и другие параметры.

ОБЗОР РЕАЛИЗОВАННЫХ МЕТОДОВ

Алгоритмы для моделирования пассивных фотонных элементов

На данный момент в продукте TauLIGHT реализованы алгоритмы для моделирования пассивных фотонных элементов, в которых распространение света происходит в среде с постоянным или зависящим от пространственных координат показателем преломления. Активные элементы, в которых свет взаимодействует с электронами, играют важную роль в современной фотонике (LED, лазерные диоды и т. д.), и являются предметами наших дальнейших разработок.

Было разработано широкое множество различных алгоритмов для моделирования пассивных фотонных элементов, однако лишь некоторые из них показали хорошие результаты в инженерных расчетах. В продукте сейчас реализовано четыре основных известных метода:

• Метод распространяющегося пучка (BPM);

• Метод конечных разностей в частотной области (FDFD) для модального расчета;

• Метод конечных разностей во временной области (FDTD);

• Метод разложения на локальные собственные моды (EME).

Такой набор методов позволяет проводить полноценный инженерный анализ пассивных компонентов, начиная с поиска поддерживаемых мод, заканчивая экспортом матриц рассеивания. Далее будут представлены результаты, полученные с помощью TauLIGHT, в сравнении с распространенным на территории Российской Федерации зарубежным аналогом и опубликованными данными.

Метод распространяющегося пучка (BPM)

Метод распространяющегося пучка является первым, получившим широкое применение в производстве алгоритмом. Существует две основные реализации алгоритма: FFT-BPM (основан на быстром преобразовании Фурье) и FD-BPM (основан на методе конечных разностей). BPM в его изначальной реализации использует параксиальное приближение и предполагает, что распространение света происходит преимущественно в одном направлении. В TauLIGHT реализованы все основные варианты алгоритма: скалярное, полувекторное, векторное и широкоугольное приближения. Возможные граничные условия включают в себя условия Дирихле, Неймана, периодические и прозрачные. Добавлена возможность расчета фундаментальной моды с помощью BPM в планарном случае.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.