फोटोनिक एकीकृत सर्किट डिजाइन

को डिजाइनफोटोनिकएकीकृत सर्किट

फोटोनिक एकीकृत सर्किट(PIC) प्राय: गणितीय लिपिहरूको मद्दतले डिजाइन गरिन्छ किनभने इन्टरफेरोमिटरहरूमा पथ लम्बाइको महत्त्व वा पथ लम्बाइप्रति संवेदनशील अन्य अनुप्रयोगहरू।PICवेफरमा धेरै तहहरू (सामान्यतया १० देखि ३० सम्म) प्याटरिङ गरेर निर्माण गरिन्छ, जुन धेरै बहुभुज आकारहरू मिलेर बनेको हुन्छ, प्रायः GDSII ढाँचामा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। फोटोमास्क निर्मातालाई फाइल पठाउनु अघि, डिजाइनको शुद्धता प्रमाणित गर्न PIC लाई अनुकरण गर्न सक्षम हुनु दृढतापूर्वक वांछनीय छ। सिमुलेशनलाई धेरै तहहरूमा विभाजन गरिएको छ: सबैभन्दा तल्लो स्तर त्रि-आयामी विद्युत चुम्बकीय (EM) सिमुलेशन हो, जहाँ सिमुलेशन उप-तरंग लम्बाइ स्तरमा गरिन्छ, यद्यपि सामग्रीमा परमाणुहरू बीचको अन्तरक्रियाहरू म्याक्रोस्कोपिक स्केलमा ह्यान्डल गरिन्छ। सामान्य विधिहरूमा तीन-आयामी परिमित-अन्तर समय-डोमेन (3D FDTD) र eigenmode विस्तार (EME) समावेश छ। यी विधिहरू सबैभन्दा सटीक छन्, तर सम्पूर्ण PIC सिमुलेशन समयको लागि अव्यावहारिक छन्। अर्को स्तर 2.5-आयामी EM सिमुलेशन हो, जस्तै परिमित-भिन्न बीम प्रसार (FD-BPM)। यी विधिहरू धेरै छिटो छन्, तर केही सटीकता बलिदान दिन्छ र केवल paraxial प्रसार ह्यान्डल गर्न सक्छ र उदाहरणका लागि, अनुकरण गर्न प्रयोग गर्न सकिँदैन। अर्को स्तर 2D EM सिमुलेशन हो, जस्तै 2D FDTD र 2D BPM। यी पनि छिटो छन्, तर सीमित कार्यक्षमता छ, जस्तै कि तिनीहरूले ध्रुवीकरण रोटेटरहरू अनुकरण गर्न सक्दैनन्। अर्को स्तर ट्रान्समिशन र/वा स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सिमुलेशन हो। प्रत्येक प्रमुख कम्पोनेन्टलाई इनपुट र आउटपुटको साथ कम्पोनेन्टमा घटाइन्छ, र जडान गरिएको वेभगाइडलाई फेज शिफ्ट र क्षीणन तत्वमा घटाइन्छ। यी सिमुलेशनहरू धेरै छिटो छन्। आउटपुट सिग्नल इनपुट सिग्नल द्वारा ट्रान्समिशन म्याट्रिक्स गुणा गरेर प्राप्त गरिन्छ। स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स (जसको तत्वलाई S-प्यारामिटर भनिन्छ) कम्पोनेन्टको अर्को छेउमा इनपुट र आउटपुट संकेतहरू फेला पार्न एक छेउमा इनपुट र आउटपुट संकेतहरूलाई गुणन गर्दछ। मूलतया, स्क्याटरिङ म्याट्रिक्सले तत्व भित्रको प्रतिबिम्ब समावेश गर्दछ। स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सामान्यतया प्रत्येक आयाममा ट्रान्समिशन म्याट्रिक्स भन्दा दुई गुणा ठूलो हुन्छ। संक्षेपमा, 3D EM देखि ट्रान्समिशन/स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सिमुलेशन सम्म, सिमुलेशनको प्रत्येक तहले गति र शुद्धताको बीचमा ट्रेड-अफ प्रस्तुत गर्दछ, र डिजाइनरहरूले डिजाइन प्रमाणीकरण प्रक्रियालाई अनुकूलन गर्न आफ्नो विशिष्ट आवश्यकताहरूको लागि सिमुलेशनको सही स्तर छनौट गर्छन्।

यद्यपि, केही तत्वहरूको इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक सिमुलेशनमा भर पर्नु र सम्पूर्ण PIC सिमुलेट गर्न स्क्याटरिङ/ट्रान्सफर म्याट्रिक्स प्रयोग गर्नुले फ्लो प्लेटको अगाडि पूर्ण रूपमा सही डिजाइनको ग्यारेन्टी गर्दैन। उदाहरणका लागि, गलत गणना गरिएको पथ लम्बाइहरू, मल्टीमोड वेभगाइडहरू जसले प्रभावकारी रूपमा उच्च-अर्डर मोडहरूलाई दबाउन असफल हुन्छन्, वा दुईवटा वेभगाइडहरू जुन एकअर्काको धेरै नजिक छन् जसले अप्रत्याशित युग्मन समस्याहरू निम्त्याउँछ सिमुलेशनको समयमा पत्ता नलाग्ने सम्भावना हुन्छ। तसर्थ, यद्यपि उन्नत सिमुलेशन उपकरणहरूले शक्तिशाली डिजाइन प्रमाणीकरण क्षमताहरू प्रदान गर्दछ, यसलाई अझै पनि डिजाइनरद्वारा उच्च स्तरको सतर्कता र सावधानीपूर्वक निरीक्षणको आवश्यकता छ, व्यावहारिक अनुभव र प्राविधिक ज्ञानको साथमा, डिजाइनको शुद्धता र विश्वसनीयता सुनिश्चित गर्न र जोखिम कम गर्न। प्रवाह पाना।

स्पार्स FDTD भनिने प्रविधिले 3D र 2D FDTD सिमुलेशनहरू सिधै पूर्ण PIC डिजाइनमा डिजाइन प्रमाणित गर्न अनुमति दिन्छ। यद्यपि कुनै पनि इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक सिमुलेशन उपकरणको लागि धेरै ठूलो स्केल PIC सिमुलेट गर्न गाह्रो छ, विरल FDTD ले एकदम ठूलो स्थानीय क्षेत्र अनुकरण गर्न सक्षम छ। परम्परागत 3D FDTD मा, सिमुलेशन एक विशेष क्वान्टाइज्ड भोल्युम भित्र विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को छ वटा घटक प्रारम्भ गरेर सुरु हुन्छ। समय बढ्दै जाँदा, भोल्युममा नयाँ फिल्ड कम्पोनेन्ट गणना गरिन्छ, र यस्तै। प्रत्येक चरणलाई धेरै गणना चाहिन्छ, त्यसैले यसले लामो समय लिन्छ। स्प्यार्स 3D FDTD मा, भोल्युमको प्रत्येक बिन्दुमा प्रत्येक चरणमा गणना गर्नुको सट्टा, फिल्ड कम्पोनेन्टहरूको सूची राखिन्छ जुन सैद्धान्तिक रूपमा मनमानी रूपमा ठूलो मात्रासँग मेल खान्छ र ती घटकहरूको लागि मात्र गणना गर्न सकिन्छ। प्रत्येक पटक चरणमा, फिल्ड कम्पोनेन्टहरूसँग जोडिएका बिन्दुहरू थपिन्छन्, जबकि निश्चित पावर थ्रेसहोल्ड मुनि फिल्ड कम्पोनेन्टहरू छोडिन्छन्। केही संरचनाहरूको लागि, यो गणना परम्परागत 3D FDTD भन्दा छिटो परिमाणको धेरै अर्डर हुन सक्छ। यद्यपि, फैलावट संरचनाहरूसँग व्यवहार गर्दा विरल FDTDS ले राम्रो प्रदर्शन गर्दैन किनभने यो समय क्षेत्र धेरै फैलिएको छ, परिणामस्वरूप सूचीहरू धेरै लामो र व्यवस्थापन गर्न गाह्रो छ। चित्र 1 ले ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (PBS) जस्तै 3D FDTD सिमुलेशनको उदाहरण स्क्रिनसट देखाउँछ।

चित्र 1: 3D स्पार्स FDTD बाट सिमुलेशन परिणामहरू। (A) सिमुलेट गरिएको संरचनाको शीर्ष दृश्य हो, जुन दिशात्मक युग्मक हो। (B) अर्ध-TE उत्तेजना प्रयोग गरेर सिमुलेशनको स्क्रिनसट देखाउँछ। माथिका दुई रेखाचित्रहरूले अर्ध-TE र अर्ध-TM संकेतहरूको शीर्ष दृश्य देखाउँछन्, र तलका दुई रेखाचित्रहरूले सम्बन्धित क्रस-सेक्शनल दृश्य देखाउँछन्। (C) अर्ध-TM उत्तेजना प्रयोग गरेर सिमुलेशनको स्क्रिनसट देखाउँछ।