FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법은 나노 스케일 광 소자를 모델링 하기 위한 정밀하고 강력한 도구입니다. FDTD는 물리적 근사 없이 맥스웰 방정식 (Maxwell’s equations)을 직접 풀고, 시뮬레이션 가능한 최대 크기는 사용 가능한 컴퓨터 성능에 의해서만 제한됩니다.
FDTD 방법은 mesh에 대해 맥스웰 방정식을 풀고 Δx, Δy 및 Δz 간격으로 떨어진 grid point에서 E와 H를 계산하며 E와 H는 3D 공간에서 모두 교차됩니다. FDTD는 산란, 투과, 반사, 흡수 등의 효과를 포함합니다. FDTD는 시간 영역 솔루션이지만 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier Transform, FFT) 및 이산 푸리에 변환 (Discrete Fourier Transform, DFT)을 사용하여 주파수 분석도 가능합니다.
FDTD Yee Cell of dimension Ax, Ay, Az. [3]
FDTD는 맥스웰 방정식이 물리학을 설명하는 모든 구조를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이 방법의 일반적인 적용분야에는 LED, 태양 전지, 필터, 광 스위치, 반도체 기반 광 소자, 센서, 나노 및 마이크로 리소그래피, 비선형 소자, 메타 물질(음의 굴절률)이 포함됩니다. 추가 적용분야에 대한 자세한 내용은 FullWAVE FDTD를 참조하십시오.
FDTD Simulation of Y-branch PBG splitter
Synopsys는 FDTD 방법을 사용하는 여러 포토닉 솔루션 도구를 제공합니다.
RSoft Photonic Device Tools 의 일부인 Synopsys의 FullWAVE FDTD 시뮬레이션 소프트웨어는 FDTD를 사용하여 포토닉 구조의 full-vector 시뮬레이션을 수행합니다. 수상 경력에 빛나는 혁신적인 설계 및 기능으로 광범위한 시뮬레이션 및 분석 기능이 가능한 FullWAVE FDTD는 광 소자 시뮬레이션 도구 시장의 선두 주자로 자리 잡았습니다. 광범위한 집적 (integrated) 및 나노 광 소자의 경우, FullWAVE FDTD는 LED 광추출 효율 분석, 회절 광학 소자 (DOE) 설계, PIC/Custom PDK element 설계, 나노포토닉스 및 메타 물질 설계와 같은 적용분야를 보유하고 있습니다.
칩 내부와 칩 사이의 연결 속도는 더 빠른 컴퓨터 칩 성능을 달성하기 위해 필요한 주요 병목 현상 중 하나입니다. 표면 플라즈몬 기반 도파관을 통해 신호를 라우팅하면 더 빠른 광학 연결 속도를 달성할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 도파관은 회절 한계에 구속되지 않고 컴팩트하며 광학 및 전자 기술과 쉽게 통합될 수 있습니다.
전기 칩 내에서 플라즈몬 가이드를 채택하는 데 직면한 한 가지 기본적인 문제는 외부 소스에서 플라즈몬을 여기(excitation)시키는 것입니다. 이 효과를 시뮬레이션하려면 금속 및 비금속 구성 요소를 모두 포함하는 임의의 소자 형상에 대해 정확한 솔루션을 제공하는 확실한 full-vector 모델링 환경이 필요합니다. FullWAVE FDTD는 이러한 요구를 충족시키는 이상적인 도구입니다. FullWAVE는 맥스웰 방정식에 대한 full-vector 솔루션을 제공하고 엔지니어가 복잡한 재료 정의, 임의의 소자 형상, 불균일한 격자 및 정교한 측정 기술을 사용하여 새로운 플라즈몬 소자를 만들고 특정 적용분야에 대한 기존 설계를 미세하게 조정할 수 있습니다. 구조의 설계 매개변수는 FullWAVE FDTD에서 변경할 수 있으므로 소자 성능에 대한 제조 공차를 연구할 수 있습니다.
그림 1에서 연구된 표면 플라즈몬 기반 spatial multiplexer는 파장 이하의 metal-strip 도파관 중 하나로 빛을 조정하는 스위치로 구성됩니다. 빛이 3개의 metal-strip 도파관 각각에 결합되는 최적의 각도를 결정하기 위해 광원의 다양한 입사각 및 고정된 파장 조건에서 3D FullWAVE FDTD 시뮬레이션이 여러번 수행되었습니다.
그림 1: surface-plasmon spatial multiplexer의 개략도
그림 2: 금속 필름 표면의 Ey 필드 진폭을 보여주는 시뮬레이션 결과
a) 수직 입사광이 중앙 metal-strip 도파관에 결합됩니다.
b) 각도를 갖는 입사광은 측면 metal-strip 도파관 중 하나에 결합됩니다.
Chip interconnect에서 표면 플라즈몬 공진을 사용하면 훨씬 빠른 칩 성능을 얻을 수 있습니다. 이 예에서 볼 수 있듯이 FullWAVE FDTD와 같이 정밀한 시뮬레이션 소프트웨어는 표면 플라즈몬 소자 설계에 기여하는 모든 요소를 연구하는 데 필요한 도구를 제공합니다.
더 많은 예시를 보기 위해서는 아래의 적용분야 노트를 참고해주십시오.
참고 문헌:
