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Lösung von Herausforderungen im Design photonischer integrierter Schaltkreise (PICs) durch einen integrierten Workflow

Photonische integrierte Schaltungen (PICs) gewinnen in verschiedensten Bereichen, darunter Rechenzentren, Kommunikationstechnik, Sensorik und Computerplattformen der nächsten Generation, rasant an Bedeutung. Bei der PIC-Fertigung mittels Foundry-Dienstleistungen ist es erforderlich, nicht nur einzelne Komponenten zu entwerfen, sondern auch die Eigenschaften optischer Schaltungen aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten zu entwickeln und zu bewerten. Darüber hinaus sind Messgeräte zur präzisen Bewertung der Leistung gefertigter PICs unerlässlich.

Keysight bietet einen integrierten Design-Workflow, der herkömmliche optische Messinstrumente, Lichtquellen und Testsysteme mit Simulations- und Designwerkzeugen speziell für PICs kombiniert.

Die RSoft Photonic Device Tools nutzen detaillierte elektromagnetisch-optische Analysemethoden wie FDTD, BPM, FEM und PWE und ermöglichen so die präzise Simulation zentraler PIC-Komponenten, darunter Gitterkoppler, MMIs und Phasenschieber für Modulatoren. Die Tools unterstützen zudem die Ausgabe im GDS-Dateiformat für die Einreichung bei Foundry-Partnern. Durch den Export von Simulationsergebnissen und GDS-Dateien als PDK-Dateien können mit ADS Photonic Designer System- und Schaltungsanalysen kompletter PIC-Bausteine ​​sowie die Erstellung vollständiger Layouts durchgeführt werden.

Designablauf für photonische ICs

Die RSoft Photonic Device Tools bieten eine umfassende elektromagnetisch-optische Simulationsumgebung mit CAD-Software, verschiedenen Solvern, Parameterscanning und Optimierungswerkzeugen. Die zugrundeliegende RSoft-CAD-Plattform ist für alle passiven Tools identisch, sodass Anwender je nach benötigter Genauigkeit und Simulationszeit zwischen verschiedenen Solvern wechseln können.
 
Die Entwürfe können im GDS-Dateiformat für die Einreichung bei Gießereien exportiert werden, und die Strukturen können auch mithilfe von GDS-Dateien erstellt oder über eine Python-API per Skript gesteuert werden.

RSoft-Tools für die PIC-Geräteentwicklung

  • FullWAVE FDTD
    Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Ausbreitungsanalysetool (Gitterkoppler, Ringresonatoren usw.), GPU-Beschleunigung wird unterstützt
  • BeamPROP BPM
    Hochgeschwindigkeits-Ausbreitungsanalysetool basierend auf der Strahlpropagationsmethode (Spotgrößenkonverter, Polarisationsrotatoren)
  • ModePROP EME
    Ausbreitungsanalyse-Tool basierend auf der Eigenmodenentwicklung (Gitterstrukturen)
  • FemSIM FEM
    Modenlöser basierend auf der Finite-Elemente-Methode (verschiedene Wellenleiterstrukturen)
  • BandSOLVE PWE
    Analysewerkzeug für photonische Kristalle basierend auf der Methode der ebenen Wellenausbreitung (photonische Kristallwellenleiter/-fasern)
  • GratingMOD CMT
    Entwurfswerkzeug für Faser- und Wellenleitergitter basierend auf der Theorie gekoppelter Moden
  • LaserMOD
    2D-Halbleiterlaser-Simulationswerkzeug (Fabry-Perot-, DFB-, VCSEL-Laser)

Durch die Verwendung dieser Solver in Verbindung mit verschiedenen Hilfsprogrammen lassen sich auch Geräte wie optische Schalter und Modulatoren analysieren. Darüber hinaus ermöglicht das Custom PDK Utility den Export von RSoft-Simulationsergebnissen als PDKs, die mit ADS Photonic Designer kompatibel sind.


RSoft Produkt-Dienstprogramme

  • Multi-Physics Utility
    Berechnet Änderungen des Brechungsindex, die durch thermooptische (TO) und elektrooptische (EO) Effekte, photoelastische Effekte aufgrund von Temperaturänderungen und trägerinduzierte Effekte verursacht werden.
  • AWG-Nutzung
    AWG-Bauteil-Designtool mit BeamPROP BPM
  • Topologieoptimierer
    Automatischer Gerätestrukturentwurf mittels Topologieoptimierung
    Die Ausbreitungsanalyse verwendet FullWAVE FDTD.
  • Benutzerdefiniertes PDK-Dienstprogramm
    Die mit RSoft berechneten Ergebnisse werden als benutzerdefinierte PDKs exportiert, die von Tools für optische Schaltungen und Systeme wie ADS Photonic Designer gelesen werden können.

Darüber hinaus stehen MOST (Multivariable Optimization and Scanning Tools) zur Verfügung:

  • MOST Scanner – Parameterabtastung und Scanplotgenerierung
  • MOST-Cluster – Parallele Berechnung für schnellere Simulation
  • MOST Optimizer – Optimierung mithilfe von Methoden wie genetischen Algorithmen
 
RSoft FullWAVE FDTD-Bildschirm auf Laptop

RSoft Photonic Device Tools & ADS Photonic Designer Solution

Bei der Entwicklung von PIC-Bausteinen mithilfe von Foundry-Dienstleistungen erfolgt das Design typischerweise mit den von der Foundry bereitgestellten PDKs. Allerdings können die Foundry-PDKs allein in Fällen wie den folgenden unzureichend sein:

  • Die benötigten Komponenten sind nicht im Foundry PDK enthalten.
  • Die Leistungsfähigkeit muss bewertet und berücksichtigt werden, wenn sich die Auslegungswellenlänge oder die strukturellen Bedingungen ändern.
  • Im bereitgestellten PDK sind keine optischen Kenndaten für die Simulation enthalten.

Mit Hilfe des Custom PDK Utility in RSoft Photonic Device Tools können solche fehlenden Komponenten als PDKs erstellt und zusammen mit Foundry-PDKs in optischen Schaltungs- und Systemtools wie ADS Photonic Designer verwendet werden, wodurch eine vollständige PIC-Bauelementsimulation und Layouterstellung ermöglicht wird.

Photonic Designer ist ein in ADS integriertes Simulations-/Layout-Tool für optische Schaltungen und Systeme ( Advanced Design System), eine HF-Simulationsplattform. Sie ermöglicht:

  • Charakteristikanalyse optischer Schaltungen mit mehreren verbundenen Komponenten
  • Augendiagramm-Auswertung mit Modulationssignalen
  • Automatische Layoutgenerierung
  • GDS-Dateiausgabe für die Foundry-Einreichung

Wesentliche Merkmale

  • Schemabasierter Entwurf und Simulation
  • PIC-Bausteindesign mit PDKs
  • DRC-/LVS-Funktionalität
  • GDS II-Ausgang
ADS Photonic Designer auf dem Laptop-Bildschirm

Das Custom PDK Utility exportiert die von RSoft Photonic Device Tools berechneten Ergebnisse als optische S-Matrix-Daten und äquivalente Brechungsindexdaten.

Die S-Matrix-Daten stellen die Amplituden- und Phasencharakteristika am Ausgangsport relativ zu jedem Eingangsport dar, aufgeschlüsselt nach Wellenlängen- und Polarisationsbedingungen, und können in Systemtools wie Photonic Designer verwendet werden.

Da die Daten zudem strukturelle Parameter und Bedingungen wie Spaltbreite und Biegeradius umfassen können, ist es möglich, komplexe optische Schaltungen, die aus mehreren Komponenten bestehen und mit Komponentenwerkzeugen allein nur schwer zu berechnen sind, durch die Anpassung von Parametern innerhalb von Systemwerkzeugen zu entwerfen und zu simulieren.

RSoft Custom PDK

  • Optische S-Matrix-Daten (Amplituden-, Phasen-, Wellenlängen- und Polarisationsabhängigkeit)
  • Äquivalenter Brechungsindex (Neff)
  • Strukturelle Parameter (Spaltbreite, Biegeradius usw.)
  • GDS-Dateien für das Layout

Verfügbare RSoft-Tools

 
PDK und Foundries

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