Rechnergestützter Entwurf und Simulation von optischen Verbindungen in Leiterplatten
CAD für optische Leiterplatten
Fortsetzung des Artikels von Teil 5
CAD für optische Leiterplatten
Für die Auswertung der Simulationsergebnisse stehen weitere Werkzeuge innerhalb der Entwurfsumgebung zur Verfügung. Ausgehend von den Ergebnissen können z.B. Re-Design- Informationen für eine Entwurfsoptimierung in den Entwurfsprozess einfließen. Ergibt die Auswertung der Simlationsergebnisse, dass die Entwurfsspezifikationen erfüllt werden, können die Layout-Daten nach Transformation in das Extended-Gerber-Format für die Herstellung der optischen Lage an ein CAM-System übergeben werden.
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Hybride wellen- und strahlenoptische Simulationstechnik
Die numerische Simulationstechnik ist ein wesentlicher Bestandteil des Entwurfsprozesses einer optischen Lage und dient der Vorhersage des stationären und transienten Übertragungsverhaltens ausgewählter optischer Wellenleiterverbindungen. Dabei muss die Simulationstechnik die optische Signalausbreitung für eine hinreichend genaue Vorhersage der Übertragungseigenschaften und der Signalintegrität auf Grundlage der elektromagnetischen Wellenausbreitung berechnen.
Durch die transversalen Abmessungen des lichtführenden Wellenleiterkerns, die bezüglich der optischen Wellenlänge des Lichtes zu beurteilen sind, wird die Auswahl potentieller Verfahren zur Berechnung der Wellenausbreitung stark eingeschränkt. So weisen die realen Wellenleiter zumeist näherungsweise rechteckförmige Kernquerschnitte auf, die mit 50 μm bis 100 μm Kerndurchmesser mehr als zehnmal größer sind als konventionelle, in der Weitverkehrstechnik verwendete optische Glasfasern. Bezieht man ihre transversalen Abmessungen auf eine für vertikal emittierende Laserdioden typische Wellenlänge von 0,85 μm, so ergeben sich relative Kerndurchmesser von mehr als 60 Wellenlängen. Konventionelle numerische Verfahren [10, 11, 12] wie die Finite Element Method, Finite Difference Method, Beam Propagation Method etc. können bei diesen großen transversalen Kernabmessungen aufgrund des erforderlichen Speicherbedarfs und der extrem langen Rechenzeiten nicht effizient zum Einsatz kommen. Insbesondere die longitudinalen Kernabmessungen der zu simulierenden Wellenleiterstrukturen von einigen Metern verbieten den Einsatz dieser Verfahren. Strahlenoptische Verfahren hingegen [7, 13], die die Wellenausbreitung auf Grundlage der geometrischen Optik berechnen, können erst eingesetzt werden, wenn die betrachteten Raumbereiche groß gegenüber der optischen Wellenlänge sind. Sie eignen sich somit hervorragend zur Berechnung der Wellenausbreitung in den Kernstrukturen planar integrierter optischer Wellenleiter, da sie die Wellenausbreitung in den optisch homogenen Kernbereichen der Wellenleiter auch über große Wellenleiterlängen speicher- und rechenzeiteffizient berechnen können. Allerdings führen konventionelle, rein strahlenoptische Simulationstechniken [14], bei denen nur die Anzahl der verfolgten geometrischen Strahlen zur Berechnung eines quantisierten Leistungstransportes ausgewertet wird, nicht zu befriedigenden Simulationsergebnissen. Zudem erlauben sie nur die Vorhersage von stationären, nicht aber von transienten Übertragungseigenschaften. Erweitert man jedoch diese Technik so [13], dass auch physikalische Eigenschaften – Polarisationszustand, Phasenlage, optischer Leistungsfluss, Laufzeit etc. – eines verfolgten Strahls entlang des Strahlenpfades berechnet werden, können erheblich genauere Simulationsergebnisse zur Vorhersage der Wellenausbreitung erzielt werden, die zudem auch eine transiente Analyse der Übertragungseigenschaften zulassen.
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- Literatur
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- Entwurf und Simulation optischer Verbindungen erfordern ganzheitliche Sichtweise
