Программное обеспечение Difra
Компания ООО «Дифра Лаб» является разработчиком российского программного обеспечения Difra. Программное обеспечение Difra предназначено для комплексного моделирования, проектирования и разработки фотонных интегральных схем (ФИС) от поперечного сечения волновода до файла-маски для последующего изготовления ФИС, включая создание компактной модели элементов ФИС.
Сотрудники компании ООО «Дифра Лаб» имеют многолетний опыт использования численных методов для решения прикладных задач, разработки математических моделей физических процессов, численного моделирования и разработки интегрально-оптических устройств. При участии сотрудников компании реализован ряд комплексных проектов по разработке интегрально-оптических устройств для сенсорики, биофотоники и телекоммуникаций.
ПО DIFRA предназначено для
- комплексного моделирования, проектирования и разработки ФИС от поперечного сечения волновода до файла-маски для последующего изготовления ФИС, включая создание компактной
модели (compact model) элементов ФИС; - разработки библиотек проектирования ФИС (PDK), включающих сведения о выполняемых технологических процессах на фабрике, характерных изменениях топологических размеров при их осуществлении и характеристиках базовых элементов, доступных к изготовлению на технологических площадках.
Функциональные возможности ПО Difra:
1) Задание и визуализация параметров расчетной области, расчетной сетки;
2) Задание геометрии поперечного сечения и топологии элементов с помощью примитивов (прямоугольников, трапеций, эллипсов), с возможностью поворота примитивов и их привязки к сетке или другим элементам;
3) Расчет векторных модовых полей (волноводных и вытекающих мод) прямых и изогнутых изотропных и диагонально анизотропных волноводов (для определения эффективных показателей преломления мод, модового состава, распределения полей в поперечном сечении волновода, определения оптических потерь на изгибе);
4) Определение параметров распространяющихся мод (с использованием гауссовой аппроксимации полей мод): определение и визуализация радиусов полей фундаментальных мод, расчет координаты максимума поля моды;
5) Расчет материальных характеристик для 2,5D моделирования распространения оптического излучения через топологию элементов фотонной интегральной схемы (определения эффективных показателей преломления многослойных планарных 2D волноводов, моделирования и визуализации распределения поля для многослойных планарных 2D волноводов, определения эффективных материальных показателей преломления для 2,5D моделирования);
6) Моделирование распространения оптического излучения в топологии интегрально-оптических элементов (моделирования и визуализации распределения электромагнитного поля в топологии интегрально-оптических элементов, определения величины интегралов перекрытия, определения фазовых и амплитудных характеристик выходного излучения);
7) Дизайн дифракционной решетки на основе массива волноводов (англ. arrayed waveguide grating), моделирования спектральных характеристик, генерации топологии в gdsII формате;
8) Постобработка результатов работы ПО с помощью набора инструментов языка программирования python;
9) Определение вариации характеристик элементов фотонных интегральных схем при изменении параметров входного оптического излучения и технологического процесса изготовления.
Ссылка на файл: Описание функциональных характеристик, установка и эксплуатация ПО Difra (pdf).
Моделирование ФИС в ПО Difra:
В ПО Difra может быть выполнено моделирование и проектирование следующих интегрально-оптических элементов:
- прямой и изогнутый волновод;
- элементы для ввода и вывода оптического излучения;
- делители и сумматоры оптического излучения различных типов — Y-делители, направленные ответвители (X-делители), многомодовые интерференционные делители MxN и др.;
- кольцевые резонаторы;
- интегрально-оптические брэгговские решетки;
- дифракционные решетки на основе массива волноводов (AWG).
В 2025-2026 гг. также разрабатываются интерферометры Маха-Цендера, фазовый и амплитудные модуляторы, переключатели, перестраиваемые фильтры и др.
Моделирование и проектирование интегрально-оптических элементов может быть выполнено под любой перечень оптических изотропных и анизотропных материалов.
В состав программного обеспечения Difra входят программные модули со следующими функциональными характеристиками:
Difra Mode
Модовый решатель для определения параметров излучения в поперечном сечении прямых волноводов. Difra Mode может быть применен для моделирования распространения оптического излучения в волноводах на основе как изотропных, так и диагонально анизотропных материалов.
Difra Bend modes
Модовый решатель для анализа распространения электромагнитного поля в изогнутых волноводах. Применяется для определения оптических потерь, оценки изменения эффективного показателя преломления, смещение максимума интенсивности моды от центра в изогнутых волноводах.
Difra Planar modesolver
Модовый решатель для анализа распространения мод в многослойных планарных волноводах. Может использоваться при разработке отдельных элементов ФИС и волноводных пленок.
Difra EIM modesolver
Модовый решатель для оценки функциональных параметров волновода и упрощения решения векторных волновых уравнений на основе метода эффективного показателя преломления. Использование данного решателя позволяет упрости решение трехмерной задачи, определить эффективные материальные параметры для выполнения 2.5D моделирования распространения оптического излучения по топологии фотонных компонентов.
Difra BPM
Модуль для моделирования распространения оптического излучения по топологии интегрально-оптических элементов методом распространяющегося пучка. С использованием данного метода и инструментов ПО Difra определяются S-параметры (амплитудные и фазовые характеристики) элементов.
Difra AWG
Модуль для дизайна, моделирования, анализа результатов и формирования GDSII файла-маски дифракционной решетки на основе массива волноводов (AWG).
Достоинства ПО моделирования ФИС Difra:
- Difra сочетает в себе удобство традиционных CAD систем и гибкость средств разработки;
- ядро системы базируется на языке Python 3, следовательно нет ограничений на доработку библиотек пользователем под свои нужды (материалы, элементы ИФС, геометрические примитивы, построение графиков и анализ результатов);
- проектирование может быть начато в графическом CAD интерфейсе (в разработке) и продолжено в более удобном варианте для профессиональной работы Jupyter Notebook (либо любом другой инструменте разработки Python 3);
- отсутствуют санкционные ограничения на покупку ПО;
- оперативная русскоязычная поддержка;
- поддерживаются российские технологические платформы (фабрики) для разработки ФИС с целью последующего изготовления;
- поддержка всех стадий процесса моделирования от расчета отдельных характеристик элементов ФИС и моделирования отдельных элементов ФИС (Свободное ПО) до формирования топологического рисунка (файла-маски);
- поскольку область, новая и имеет множество неочевидных нюансов в сравнении с микроэлектроникой, важным аспектом является документация и обучающие материалы на русскомя языке;
- приемлемая стоимость .
Сравнение с аналогами:
- санкционные ограничения (Коммерческое ПО);
- большая длительность оказания услуг поддержки (Коммерческое ПО);
- не представлены российские технологические платформы (фабрики) для разработки ФИС с целью последующего изготовления (Свободное и коммерческое ПО);
- расчет только отдельных характеристик элементов ФИС (Свободное ПО);
- выполнение моделирования отдельных элементов ФИС (Свободное ПО);
- отсутствие возможности выполнения разработки от поперечного сечения оптического волновода до топологического рисунка (файла-маски) (Свободное ПО);
- отсутствие возможности модификации численных методов расчета (Коммерческое ПО);
- высокая стоимость (Коммерческое ПО).