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フォトニックIC（PIC）設計の課題を、統合ワークフローで解決

フォトニックIC（PIC）は、データセンター、通信、センシング、次世代計算基盤など、さまざまな分野で急速に重要性を高めています。ファウンドリを利用したPICの製造においては、個々のコンポーネントレベルの設計に加えて、複数のコンポーネントが組み合わさった光回路としての設計や特性の評価が必要です。

また、作成されたPICの特性を正しく評価するための測定器も重要です。キーサイトは、従来の光学測定器や光源、テストシステムに加え、PIC向けのシミュレーションおよび設計ツールまでの統合された設計フローとして提供します。

RSoft Photonic Device ToolsではFDTD、BPM、FEM、PWEなどの詳細な電磁光学の解析手法を用いてグレーティングカプラ、MMI、変調器用の位相シフタなどのPICデバイスの核となる各種コンポーネントの詳細なシミュレーションやファウンドリに委託するためのGDSファイル形式で出力することも可能です。また、計算結果とGDSファイルをPDKファイルとして出力することで、システム/回路レベルのツールであるADS Photonic DesignerでPICデバイス全体の回路特性の解析やデバイス全体のレイアウトを作成することができます。

フォトニックIC設計フロー

RSoft Photonic Device Tools はCADや各種ソルバーにパラメータスキャンや最適化ツールなどを備えた電磁光学シミュレーションの総合環境を提供します。ベースとなるRSoft CADはすべてのパッシブツールで共通しており、精度や時間に応じてソルバーを切り替えて利用することができます。
ファウンドリに委託するためのGDSファイル形式で出力することができ、構造をGDSファイルやPython APIを使ったスクリプトで作成することもできます。

PICデバイス設計向けRSoftツール

  • FullWAVE FDTD
    有限要素法を用いた伝搬解析ツール（グレーティングカプラ、リング共振器など）
    ※GPUを用いた高速化にも対応
  • BeamPROP BPM
    ビーム伝搬法を用いた高速伝搬解析ツール（スポットサイズコンバータ、偏波ローテータ）
  • ModePROP EME
    固有モード展開法を用いた伝搬解析ツール（グレーティング構造）
  • FemSIM FEM
    有限要素法を用いたモードソルバー（各種構造の導波路）
  • BandSOLVE PWE
    平面波展開法を用いたフォトニック結晶解析ツール（フォトニック結晶導波路/ファイバ）
  • GratingMOD CMT
    モード結合理論を用いたファイバや導波路グレーティングの設計ツール
  • LaserMOD
    ２D半導体レーザシミュレーションツール（ファブリペロー、DFT、VCSELレーザ）

これらのソルバーに加えて各種ユーティリティを併用して利用することで、光スイッチや変調器などのデバイスの解析も可能です。 また、Custom PDK UtilityをによりRSoftの計算結果をADS Photonic Designer利用可能なPDKとして出力することができます。


RSoft 製品ユーティリティ

  • Multi-Physics Utility
    熱光学（TO）、電気光学（EO）、温度変化による光弾性効果、キャリア効果による屈折率の変化量を計算
  • AWG Utility
    BeamPROP BPMを用いたAWGデバイス設計ツール
  • Topology Optimizer
    トポロジー最適化によるデバイス構造自動設計ツール。伝搬解析にFullWAVE FDTDを利用。
  • Custom PDK Utility
    RSoftで計算した結果をADS Photonic Designerなどの光回路/システムツールで読み込み可能なCustom PDKとして出力

これらに加え、パラメータスキャンや並列計算、最適化で利用可能な MOST (Multivariable Optimization and Scanning Tools) があります。

  • MOST Scanner ：パラメータスキャンとスキャンプロットの生成
  • MOST Cluster ：並列化計算による計算速度向上
  • MOST Optimizer ：遺伝アルゴリズムなどの手法を用いた最適化ツール
ノートPC上のRSoft FullWAVE FDTD画面

RSoft Photonic Device Tools & ADS Photonic Designer ソリューション

ファウンドリを使ったPICデバイスの作成においてはファウンドリから手供されるPDKを用いて設計を行いますが、利用したいコンポーネントすべてがPDKとして入手可能でない場合などの理由によりファウンドリPDKだけでは十分でない場合があります。

  • ファウンドリPDKにない必要なコンポーネントがない
  • 設計波長や構造条件を変えた際の特性の把握・設計に組み込みたい
  • 提供されているPDKにシミュレーション用の光学特性データが存在しない

RSoft Photonic Device ToolsのCustom PDK UtilityでこのようなコンポーネントのPDKを作成し、ADS Photonic Designerのような光回路・システムツールでファウンドリPDKと併用してPICデバイス全体のシミュレーションやレイアウトが作成できます。

Photonic Designerは、電気のRFシミュレーションツールであるADS（Advanced Design System）の光回路/システムシミュレーションとレイアウト作成ツールで、複数の光コンポーネントを連結した状態での光回路特性や変調信号を入れた際のアイパターン評価、レイアウトの自動作成やフィウンドリに依頼するためのGDSファイルを出力することができます。

  • スケマティックドリブン設計・シミュレーション
  • PDKを用いたPICデバイス設計
  • DRC/LVS機能
  • GDS-II出力
ノートPC画面上のADS Photonic Designer

Custom PDK UtilityではRSoft Photonic Device Tools で計算された結果を光学Sマトリクスデータや等価屈折率データとして出力します。

​Sマトリクスデータは、各入射ポートに対する出射ポートでの振幅や位相特性を、波長や偏光条件ごとに表現したもので、Photonic Designerなどのシステムツールで利用することができます。

また、データにはギャップ幅や曲げ半径などの構造パラメータ構造条件も含めることができるので、コンポーネントツール単独では計算が難しい複数のコンポーネントにより構成される複雑な光回路をシステムツール上でパラメータを調整しながら設計やシミュレーションすることが可能になります。

RSoft カスタム PDK

  • 光学 Sマトリクス（振幅・位相・波長依存性）
  • 等価屈折率（Neff）
  • 構造パラメータ
  • レイアウト用 GDSファイル

利用可能なツールとしては以下のものになります。

 
フォトニックIC設計

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