フォトニクス
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導波路と集積フォトニクスのための光シミュレーション
導波路、共振器、カプラ内を光が実際にどのように伝搬するかを解析するフルウェーブ電磁場シミュレーション。フォトニック集積回路を、描画した形状ではなく、製造後の形状として評価できます。
光シミュレーションの役割
屈折率の差によって、光はシリコン導波路に閉じ込められます。導波モードの一部はコアの外側のクラッドに広がります。その裾の部分が、カプラの電力伝送効率や、急な曲がりでの漏れ量を決めます。この寸法では、光線によって光を記述することはできません。電磁場を解く必要があります。
設計変更のたびにシリコンで検証すると、その都度ファブでの製造が必要になります。モデルが製造物に一致していれば、シミュレーションによってウェハを使わずにそのスイープを実行できます。側壁角度、ラインエッジ粗さ、CDの変動、コーナーの丸まりは、実デバイスの特性を設計値からずらします。
これがソルバに求められる基準です。1回の実行で広帯域の結果を取得し、分散を適切に扱い、曲面形状を階段状にせずメッシュ化する必要があります。回路レベルのツールで使用できるSパラメータを出力し、感度スイープを実行できる速度も必要です。XSim Photonicsはこの基準を満たすように開発されました。
XSim Photonics
フォトニクスおよび電磁場設計向けのフルウェーブFDTD。Tech-Xが開発し、現在はSilvaco製品として提供しています。同じモデルをノートPC、GPUクラスタ、AWSで実行できるため、より大規模なスイープにはハードウェアを選択することで対応できます。
形状
GDS、STEP、STLをインポートするか、Composer 3D形状ビルダで構築
ソルバ
等間隔または可変間隔のグリッド、形状に適合する導体、分散誘電体、抵抗性材料
波源と境界
入力・出力ポート、広帯域または単色入力、全電場／散乱電場の波源、断熱吸収境界、位相シフト周期境界
解析
モードソルバ、波長に対するSパラメータ、遠方界変換とフーリエ変換、独自の解析機能
ワークフロー
設定から解析、可視化までスクリプト化可能
アンテナアレイを含むRFおよびアンテナ設計にも対応します。
ソルバを支える手法
形状適合型メッシュと分散材料に対応したFDTD
1回の時間領域解析でスペクトル全体を取得できるため、広帯域の波源により波長スイープを置き換えられます。形状適合型メッシュは曲がりやリングの曲面に沿い、分散誘電体モデルは波長依存の挙動を解析に反映します。
モード解析
まず断面を解析し、対応するモードと各モードの実効屈折率を確認します。その導波モードをFDTD解析に入力することで、測定される透過特性をデバイス自体の特性として評価できます。
遠方界とSパラメータの抽出
波長に対するSパラメータにより、挿入損失と結合比を回路シミュレータで扱える形式で取得できます。遠方界変換は、構造を出た後の光の挙動を示します。
GPUとクラウドでの実行
1つのジョブをCPUとGPUに分散します。感度解析が1台のマシンの能力を超える場合は、ワークステーションからスーパーコンピュータへ拡張したり、Tech-X CloudComputeを通じてAWSで実行したりできます。
シミュレーションの対象
導波路
直線、曲線、テーパ、複数材料の導波路に対応し、必要に応じて粗さも考慮します。
変調器
光学的な側面を解析し、その基盤となる電気的デバイスはVictory Deviceで解析します。
共振器
数十ナノメートル幅の結合ギャップが自由スペクトル範囲と消光特性を左右するマイクロリング。
カプラとスプリッタ
導波路、レイヤー、光ファイバ間の断熱テーパと層間遷移。
フォトニック集積回路全体
回路全体のFDTD解析は実用的でない場合が多いため、各部品のSパラメータから構築します。
シミュレーションの対象
XSimは、2025年4月29日にTech-Xの買収が完了して以来、Silvacoの一部となっています。
名称、公開ユーザーガイド、サンプルは引き続き提供されています。Tech-Xの創業者John Caryは、現在Silvacoのシニアディレクター兼フェローを務めています。
公開されているフォトニクスの研究・技術資料
実際に公開された内容と、その発表者をご紹介します。両社ともフォトニクス分野のお客様名を公表していないため、ここに掲載するものは顧客事例として紹介していません。
FTCO
シリコンフォトニクス
製造後の形状を反映したフォトニクスデバイスのシミュレーション
SilvacoのFTCOフローは、ファブのプロセスパラメータをモデルに取り込み、テープアウト前に受動デバイスの製造起因の損失を検出します。Victory Processが製造後の形状を構築し、Victory DeviceがGPUで高速化したFDTD解析を実行し、Victory DoEとVictory Analyticsがスイープと最適化を担当します。講演者はフィールドアプリケーションエンジニアのJohn Sembowerです。
Tech-X
実例
XSimフォトニクスの9つのサンプル
誘電体、3材料、円筒形の各導波路のモード計算に加え、分散、2通りの励振方法によるマイクロリング、断熱テーパスプリッタ、層間スロープカプラを扱います。粗さを持つ導波路をモデル化した例もあります。
光シミュレーションの参考資料
ウェビナー
2020年4月
太陽電池、導波路、LEDの光電子シミュレーション
FDTDを含むSilvacoの時間領域光学手法を、3種類のデバイスで紹介します。
プレゼンテーション · PDF
光シミュレーション
光線追跡からFDTDまでの光学手法をまとめ、各手法がどの課題に適しているかを紹介する資料です。
Simulation Standard
2010年4月
高速光通信向けSiGe導波路フォトダイオードのFDTD法による検討
高速光リンク向けの2種類のSiGe導波路フォトダイオードをFDTDで解析。
Simulation Standard
2009年4月
超低消費電力で電気的に制御するシリコンベースのフォトニック結晶波長分散補償器
114 nWで動作する可変シリコンフォトニック結晶補償器を、電気的・光学的に3Dでモデル化。
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エンジニアに相談
レイヤースタック、波長、シミュレーションほどの性能が得られないカプラをご用意ください。Silvacoのアプリケーションエンジニアが、お客様とともに検討します。
ドキュメントを読む
XSimのユーザーガイド、リファレンス資料、サンプルは、ログイン不要でtxcorp.comに公開されています。
サポートを受ける
XSimのライセンスユーザーは、Tech-Xサポートポータルから問い合わせを登録できます。Silvacoのその他のツールについては、「サポートとダウンロード」からご確認ください。
XSim Photonicsに関するエンジニアからの質問
光シミュレーションとは何ですか？
光線を追跡するのではなく、実際のデバイス形状内でMaxwell方程式を解き、光の伝搬を予測します。集積フォトニクス構造の寸法は波長の数倍程度であり、解析領域の各点で電磁場を計算する必要があります。XSim PhotonicsはフルウェーブFDTDを用い、単一の直線導波路からカプラ全体まで解析します。
FDTDとモードソルバは、どのように使い分けますか？
モードソルバは、導波路断面が伝搬できるモード数、各モードの実効屈折率、クラッドへの広がりを求めます。FDTDは、曲がり、テーパ、結合ギャップなど、長手方向に変化する構造を扱います。多くのプロジェクトでは、まずモードソルバを実行し、そのモードをFDTDに渡して伝搬を解析します。
光シミュレーションはTCADデバイスシミュレーションとどのようにつながりますか？
密接につながっています。Victory Deviceの光学手法は、光線追跡、ビーム伝搬、伝達行列、モード解析、FDTDまで、電気的デバイスを扱う同じシミュレータ内に組み込まれています。変調器やフォトダイオードには、1つのモデルで両方の挙動を扱う必要があり、Victory Deviceがその統合を実現します。
光シミュレーションはGPUやクラウドで実行できますか？
はい。XSim Photonicsは、Windows、Linux、Mac環境のNVIDIA GPUおよびx86 CPUで、1台のノートPCからクラスタまで実行できます。Tech-X CloudComputeを通じてAWSも利用可能です。SilvacoのFTCOフォトニクスフロー内では、Victory DeviceもGPUでFDTDを実行します。
Tech-XとXSimはどうなりましたか？
Silvacoは2025年4月にTech-X Corporationを買収し、XSimは現在、AIを活用した製造ポートフォリオに含まれています。ドキュメント、サンプル、ライセンス、サポートポータルは引き続きtxcorp.comで提供しています。Tech-XのプラズマツールVSimも同じ買収で加わり、Silvacoのプラズマファミリに含まれています。
光シミュレーションでは、どのレイアウト形式をインポートできますか？
GDS、STEP、STLを読み込めます。集積フォトニクスでは、レイアウトがすでにGDSで保存されているため、GDSが特に重要です。SilvacoのFTCOフォトニクスフローもGDSのインポートから始まります。手動で形状を構築する場合は、XSimに付属するComposer 3D形状ビルダを使用できます。
AIを活用した製造のその他の製品
TCAD
製造を考慮したフォトニクスフローを支えるVictory ProcessとVictory Device。
プラズマ
導波路が描画した幅どおりに転写されるか確認します。
リソグラフィ
同じTech-X買収で加わったVSim Plasma。