फोटोनिक एकीकृत सर्किटको डिजाइन

को डिजाइनफोटोनिकएकीकृत सर्किट

फोटोनिक एकीकृत सर्किटहरू(PIC) प्रायः गणितीय लिपिहरूको मद्दतले डिजाइन गरिन्छ किनभने इन्टरफेरोमिटर वा पथ लम्बाइप्रति संवेदनशील अन्य अनुप्रयोगहरूमा पथ लम्बाइको महत्त्व हुन्छ।तस्वीरयो वेफरमा धेरै तहहरू (सामान्यतया १० देखि ३०) प्याटर गरेर उत्पादन गरिन्छ, जुन धेरै बहुभुज आकारहरू मिलेर बनेका हुन्छन्, जुन प्रायः GDSII ढाँचामा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। फोटोमास्क निर्मातालाई फाइल पठाउनु अघि, डिजाइनको शुद्धता प्रमाणित गर्न PIC सिमुलेट गर्न सक्षम हुनु अत्यधिक वांछनीय छ। सिमुलेशनलाई धेरै स्तरहरूमा विभाजित गरिएको छ: सबैभन्दा तल्लो स्तर त्रि-आयामी विद्युत चुम्बकीय (EM) सिमुलेशन हो, जहाँ सिमुलेशन उप-तरंगदैर्ध्य स्तरमा गरिन्छ, यद्यपि सामग्रीमा परमाणुहरू बीचको अन्तरक्रियाहरू म्याक्रोस्कोपिक स्केलमा ह्यान्डल गरिन्छ। विशिष्ट विधिहरूमा त्रि-आयामी परिमित-अन्तर समय-डोमेन (3D FDTD) र इगेनमोड विस्तार (EME) समावेश छन्। यी विधिहरू सबैभन्दा सटीक छन्, तर सम्पूर्ण PIC सिमुलेशन समयको लागि अव्यावहारिक छन्। अर्को स्तर २.५-आयामी EM सिमुलेशन हो, जस्तै परिमित-अन्तर बीम प्रसार (FD-BPM)। यी विधिहरू धेरै छिटो छन्, तर केही शुद्धता त्याग्छन् र केवल प्याराक्सियल प्रसारलाई ह्यान्डल गर्न सक्छन् र उदाहरणका लागि, रेजोनेटरहरूको अनुकरण गर्न प्रयोग गर्न सकिँदैन। अर्को स्तर २D EM सिमुलेशन हो, जस्तै २D FDTD र २D BPM। यी पनि छिटो छन्, तर सीमित कार्यक्षमता छन्, जस्तै तिनीहरूले ध्रुवीकरण रोटेटरहरू अनुकरण गर्न सक्दैनन्। अर्को स्तर प्रसारण र/वा स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सिमुलेशन हो। प्रत्येक प्रमुख घटक इनपुट र आउटपुट भएको घटकमा घटाइन्छ, र जडान गरिएको वेभगाइडलाई चरण परिवर्तन र क्षीणन तत्वमा घटाइन्छ। यी सिमुलेशनहरू अत्यन्तै छिटो छन्। इनपुट सिग्नलले ट्रान्समिशन म्याट्रिक्सलाई गुणन गरेर आउटपुट सिग्नल प्राप्त गरिन्छ। स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स (जसका तत्वहरूलाई S-प्यारामिटरहरू भनिन्छ) ले कम्पोनेन्टको अर्को छेउमा इनपुट र आउटपुट सिग्नलहरू फेला पार्न एक छेउमा इनपुट र आउटपुट सिग्नलहरूलाई गुणन गर्छ। मूल रूपमा, स्क्याटरिङ म्याट्रिक्सले तत्व भित्रको प्रतिबिम्ब समावेश गर्दछ। स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सामान्यतया प्रत्येक आयाममा ट्रान्समिशन म्याट्रिक्स भन्दा दोब्बर ठूलो हुन्छ। संक्षेपमा, ३D EM देखि ट्रान्समिशन/स्क्याटरिङ म्याट्रिक्स सिमुलेशन सम्म, सिमुलेशनको प्रत्येक तहले गति र शुद्धता बीचको व्यापार-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 पर्दै र सम्पूर्ण PIC अनुकरण गर्न स्क्याटरिङ/ट्रान्सफर म्याट्रिक्स प्रयोग गर्नाले फ्लो प्लेटको अगाडि पूर्ण रूपमा सही डिजाइनको ग्यारेन्टी हुँदैन। उदाहरणका लागि, गलत गणना गरिएको पथ लम्बाइ, उच्च-अर्डर मोडहरूलाई प्रभावकारी रूपमा दबाउन असफल हुने मल्टिमोड वेभगाइडहरू, वा एकअर्काको धेरै नजिक रहेका दुई वेभगाइडहरू जसले अप्रत्याशित युग्मन समस्याहरू निम्त्याउँछ, सिमुलेशनको समयमा पत्ता नलाग्ने सम्भावना हुन्छ। त्यसकारण, उन्नत सिमुलेशन उपकरणहरूले शक्तिशाली डिजाइन प्रमाणीकरण क्षमताहरू प्रदान गरे तापनि, डिजाइनको शुद्धता र विश्वसनीयता सुनिश्चित गर्न र प्रवाह पानाको जोखिम कम गर्न डिजाइनरद्वारा व्यावहारिक अनुभव र प्राविधिक ज्ञानको साथ संयुक्त रूपमा उच्च स्तरको सतर्कता र सावधानीपूर्वक निरीक्षण आवश्यक पर्दछ।

स्पार्स FDTD भनिने प्रविधिले डिजाइनलाई प्रमाणित गर्न पूर्ण PIC डिजाइनमा सिधै 3D र 2D FDTD सिमुलेशनहरू प्रदर्शन गर्न अनुमति दिन्छ। यद्यपि कुनै पनि इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक सिमुलेशन उपकरणको लागि धेरै ठूलो स्केल PIC सिमुलेट गर्न गाह्रो छ, स्पार्स FDTD ले धेरै ठूलो स्थानीय क्षेत्र सिमुलेट गर्न सक्षम छ। परम्परागत 3D FDTD मा, सिमुलेशन एक विशिष्ट क्वान्टाइज्ड भोल्युम भित्र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक क्षेत्रको छ घटकहरू सुरु गरेर सुरु हुन्छ। समय बढ्दै जाँदा, भोल्युममा नयाँ क्षेत्र घटक गणना गरिन्छ, र यस्तै। प्रत्येक चरणलाई धेरै गणना आवश्यक पर्दछ, त्यसैले यसले लामो समय लिन्छ। स्पार्स 3D FDTD मा, भोल्युमको प्रत्येक बिन्दुमा प्रत्येक चरणमा गणना गर्नुको सट्टा, फिल्ड कम्पोनेन्टहरूको सूची कायम राखिएको छ जुन सैद्धान्तिक रूपमा मनमानी रूपमा ठूलो भोल्युमसँग मेल खान्छ र ती घटकहरूको लागि मात्र गणना गर्न सकिन्छ। प्रत्येक समय चरणमा, फिल्ड कम्पोनेन्टहरूसँग जोडिएका बिन्दुहरू थपिन्छन्, जबकि निश्चित पावर थ्रेसहोल्ड मुनिका फिल्ड कम्पोनेन्टहरू छोडिन्छन्। केही संरचनाहरूको लागि, यो गणना परम्परागत 3D FDTD भन्दा धेरै परिमाणको छिटो हुन सक्छ। यद्यपि, स्पार्स FDTDS ले फैलावट संरचनाहरूसँग व्यवहार गर्दा राम्रो प्रदर्शन गर्दैन किनभने यो समय क्षेत्र धेरै फैलिन्छ, परिणामस्वरूप सूचीहरू धेरै लामो र व्यवस्थापन गर्न गाह्रो हुन्छन्। चित्र १ ले ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (PBS) जस्तै 3D FDTD सिमुलेशनको उदाहरण स्क्रिनसट देखाउँछ।

चित्र १: ३D स्पार्स FDTD बाट सिमुलेशन परिणामहरू। (A) सिमुलेटेड संरचनाको माथिल्लो 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।