포토닉스 소자 시뮬레이션을 위한 Ansys Lumerical

Introduction : Ansys Lumerical

Ansys Lumerical은 포토닉스 소자, 프로세스 설계 및 재료 모델링을 위한 gold-standard 제품으로 다양한 응용 분야에서 강력하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 광학 소자와 시스템을 설계하고 분석하는데 있어 최상의 성능을 보장합니다. Ansys Lumerical은 통신, 반도체, 바이오포토닉스, 센서, 디스플레이, 복잡한 포토닉스 소자 등 다양한 산업에서 활용됩니다.

Ansys Lumerical 제품은 크게 디바이스 레벨과 시스템 레벨 두가지로 분류할 수 있습니다. 포토닉스 소자 설계 및 해석이 가능한 디바이스 레벨에는 광학적 해석을 하는 FDTD, Waveguide 설계 및 해석에 특화된 MODE, 전기적 특성 및 열적 특성 등 다양한 물리적 해석이 가능한 Multiphysics가 있으며, 설계한 포토닉스 소자들을 회로레벨에서 시뮬레이션이 가능한 INTERCONNECT가 있습니다.

Ansys Lumerical의 다양한 솔버를 사용하여 소자를 설계하면 광학적 특성해석 뿐만 아닌 광학적으로 생성된 전기, 열 특성분석도 가능하고 반대로 전기, 열, 양자적 특성으로 발생하는 광학적 특성도 해석이 가능합니다.

Ansys Lumerical FDTD 소개

Ansys Lumerical FDTD(Finite-Difference Time-Domain)는 시간 영역에서 맥스웰 방정식을 직접 풀어 전자기파의 전파를 시뮬레이션 합니다. 이를 통해 전자기장의 시간적 변화를 정확하게 분석할 수 있습니다.

FDTD를 통해 분석할 수 있는 결과는 근거리 전자기장, 원거리 전자기장, 반사 스펙트럼, 투과 스펙트럼, 흡수 스펙트럼, Poynting 벡터 등이 있습니다.

Ansys Lumerical FDTD에는 FDTD, RCWA, STACK 총 3가지 솔버가 있습니다. FDTD로 RCWA와 STACK으로 수행하는 모든 해석이 가능하지만 특정한 해석구조와 환경에서 RCWA와 STACK 솔버를 사용한다면 FDTD보다 훨씬 빠른 속도로 해석이 가능하며, 데이터 사용량도 줄일 수 있습니다.

서로 다른 굴절률을 가지는 다층 구조에 평면파가 입사되는 시뮬레이션 시 다층박막 및 필름 같은 형태의 구조는 STACK 솔버, 동일한 형태의 구조가 규칙성을 가지고 반복적으로 배치된 wire grid 및 grating 같은 형태의 구조는 RCWA 솔버, 주기성이 없는 random한 형태 구조의 경우 FDTD 솔버를 사용하시면 해석 시간과 사용되는 자원을 효율적으로 사용해서 시뮬레이션을 진행할 수 있습니다.

Ansys Lumerical FDTD를 통해 시뮬레이션 및 해석할 수 있는 주요 어플리케이션에는 CMOS Image Sensors, OLEDs, 메타물질, 회절소자, Photonic Crystals 등이 있습니다.

Ansys Lumerical MODE 소개

Ansys Lumerical MODE는 Waveguide, Fiber 및 Coupler 설계에 특화되어 있는 솔버로 FDE, varFDTD, EME 총 3가지 솔버가 있습니다. Waveguide나 Fiber 단면의 고유모드와 특성을 분석하는 FDE, 대면적 평면 집적 소자를 분석하는 varFDTD, Taper 및 주기적 소자 설계 및 장거리 빛 전파 특성을 분석하는 EME 솔버가 있습니다.

FDE 솔버는 Waveguide 모드의 물리적 특성을 자동 계산 및 Wave guide의 단면 메쉬에 대한 Maxwell 방정식을 풀어 Waveguide, Fiber 단면에 존재하는 고유모드를 계산합니다. VarFDTD 솔버는 3D 평면 Wave guide 형상을 2D effective materials로 축소시켜 2D 시뮬레이션의 빠른 해석속도로 3D 시뮬레이션의 정확한 결과를 도출할 수 있습니다. EME 솔버는 소자 길이에 따라 매우 잘 확장되므로 Taper같은 소자의 길이 변화에 따른 결과 해석이 필요할 때 한번의 시뮬레이션으로 소자 길이변화에 따른 결과를 도출할 수 있습니다.

Ansys Lumerical MODE를 통해 시뮬레이션 및 해석할 수 있는 주요 어플리케이션에는 Waveguide, Fiber, Taper, Couplers, Ring resonator, modulator 등이 있습니다.

Ansys Lumerical Multiphysics 소개

Ansys Lumerical Multiphysics 솔버에는 CHARGE, HEAT, DGTD, FEEM, MQW가 있습니다. Multiphysics는 단일설계 환경에서 다양한 시뮬레이션에 사용되는 모델 및 재료의 일관성을 유지시키면서 다중물리 현상 해석이 가능합니다.

CHARGE 솔버는 소자의 전하 분포 및 전기장, 전위 분포를 해석해 반도체 소자의 전기적 성능을 분석하고 전자 및 정공 밀도해석이 가능합니다. 태양 전지 및 CMOS image sensor 해석에 많이 사용되며 전기적 특성을 이용해서 빛의 편광 및 위상 등을 변조시키는 Electro-optic Modulator 설계에 사용됩니다.

HEAT 솔버는 전도, 대류, 복사는 물론 고집적 광전자 장치에서 발생하는 광학적, 전기적으로 생성된 열 해석도 가능합니다. 열특성에 따라 Waveguide의 광학적 특성변화를 확인하는 Thermally tuned waveguide, 고집적 광으로 인해 발생하는 열을 확인하는 Photothermal heating이 있습니다.

DGTD 솔버는 광학적 특성을 해석하는데 사용하는 솔버입니다. FDTD와의 차이점은 유한 요소 메쉬를 사용하기 때문에 복잡한 곡선 형상 및 금속 표면이 있는 구조를 해석할 때 높은 정확성을 보이며 Multiphysics의 단일 설계환경을 통해 다중물리 현상 해석 시 구조와 재료의 일관성을 유지시키기 때문에 안정적인 시뮬레이션이 가능합니다.

FEEM 솔버는 MODE와 같이 waveguide 설계 및 해석에 특화 되어있는 솔버입니다. MODE와의 차이점은 유한 요소 메쉬를 사용해 곡선형 도파관 형상에 대한 정확한 결과를 제공하고 Multiphysics의 단일 설계환경을 통해 다중물리 현상 해석 시 안정적인 시뮬레이션이 가능합니다.

MQW 솔버는 다중 양자 우물 스택의 광학 및 특성을 계산하기 위한 1D 물리 기반 솔버로 K·P방법을 통해 완전 결합 양자역학적 밴드 구조를 계산합니다. MQW솔버를 통해 도출할 수 있는 결과는 이득 및 자연 방출 계수, 복소굴절률, 전자밴드 다이어그램, 밴드 구조, 엑시톤 에너지 등이 있습니다. 단면 발광 레이저 또는 INTERCONNECT의 TWLM 요소에 대한 input으로 자주 사용됩니다.

Ansys Lumerical system & circuit level 소개

Ansys Lumerical system & circuit level솔버에는 PIC(Photonic Integrated Circuit) 설계 및 시뮬레이션이 가능한INTERCONNCET와 PIC의 설계 및 검증을 위한 CML(Compact Model Library)을 생성하는CML Compiler가 있습니다.

INTERCONNECT 솔버는 PIC 설계에 특화 되어있는 솔버로 기본 요소 및 파운드리 관련 PDK 요소의 광범위한 라이브러리를 갖춘 계층적 회로도 편집기입니다. 측정된 데이터와 앞서 소개한 Ansys Lumerical의 다양한 솔버로 시뮬레이션을 통해 설계한 CML 개발 및 유지 관리하며 업계 최고의 EDA, PDA 툴과 상호 운용가능 합니다.

CML Compiler 솔버는 측정 및 시뮬레이션 결과를 통해 INTERCONNECT 및 Verilog-A photonic CML 생성, 유지 관리 및 QA TEST가 자동화 되어있습니다. 설계한 구성요소 데이터를 CML로 자동변환 해주며 INTERCONNECT 및 Velilog-A 모델을 생성 및 IP를 보호하고 타사 EDA시뮬레이션과 공동 시뮬레이션을 가능하게 해주는 기능을 가지고 있습니다.

맺음말

이번 호에서는 Ansys Lumerical과 Lumerical이 제공하는 다양한 솔버 소개 및 주요 어플리케이션에 대해서 소개하였습니다. 포토닉스 소자를 설계 시 Ansys Lumerical FDTD를 사용해서 근거리 전자기장, 원거리 전자기장, 반사 스펙트럼, 투과 스펙트럼, 흡수 스펙트럼, Poynting 벡터 등 광학적 특성을 정확하게 분석할 수 있을 뿐만 아니라 여러 솔버를 복합적으로 사용한다면 태양 전지, CMOS Image Sensors, Electro-optic modulators, Thermo-optic modulator 등 폭넓은 어플리케이션에 대한 정확한 해석 결과를 얻을 수 있습니다. 설계 및 측정한 소자의 데이터를 CML Compiler를 통해 INTERCONNECT에서 해석을 한다면 회로 레벨에서까지 해석이 가능합니다.

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