ფოტონიკური ინტეგრირებული მიკროსქემის დიზაინი

დიზაინისფოტონიკურიინტეგრირებული წრე

ფოტონიკური ინტეგრირებული სქემები(PIC) ხშირად შექმნილია მათემატიკური სკრიპტების დახმარებით, ინტერფერომეტრებში ბილიკის სიგრძის მნიშვნელობის გამო ან სხვა აპლიკაციებში, რომლებიც მგრძნობიარეა ბილიკის სიგრძის მიმართ.PICდამზადებულია ვაფლზე მრავალი ფენის (ჩვეულებრივ 10-დან 30-მდე) დახატვით, რომლებიც შედგება მრავალი მრავალკუთხა ფორმისგან, რომლებიც ხშირად წარმოდგენილია GDSII ფორმატში. სანამ ფაილს ფოტონიღბის მწარმოებელს გაუგზავნით, სასურველია, შეძლოთ PIC-ის სიმულაცია დიზაინის სისწორის შესამოწმებლად. სიმულაცია დაყოფილია მრავალ დონედ: ყველაზე დაბალი დონე არის სამგანზომილებიანი ელექტრომაგნიტური (EM) სიმულაცია, სადაც სიმულაცია ხორციელდება ტალღის ქვე-ტალღის დონეზე, თუმცა ატომებს შორის ურთიერთქმედება ხდება მაკროსკოპული მასშტაბით. ტიპიური მეთოდები მოიცავს სამგანზომილებიანი სასრული განსხვავების დროის დომენს (3D FDTD) და საკუთრივ რეჟიმის გაფართოებას (EME). ეს მეთოდები ყველაზე ზუსტია, მაგრამ არაპრაქტიკულია PIC სიმულაციის მთელი დროის განმავლობაში. შემდეგი დონე არის 2.5 განზომილებიანი EM სიმულაცია, როგორიცაა სასრული განსხვავების სხივის გავრცელება (FD-BPM). ეს მეთოდები ბევრად უფრო სწრაფია, მაგრამ გარკვეულ სიზუსტეს სწირავს და მხოლოდ პარაქსიალურ გავრცელებას უმკლავდება და არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას, მაგალითად, რეზონატორების სიმულაციისთვის. შემდეგი დონე არის 2D EM სიმულაცია, როგორიცაა 2D FDTD და 2D BPM. ისინი ასევე უფრო სწრაფია, მაგრამ აქვთ შეზღუდული ფუნქციონირება, მაგალითად, მათ არ შეუძლიათ პოლარიზაციის როტაციის სიმულაცია. შემდგომი დონეა გადაცემის და/ან გაფანტვის მატრიცის სიმულაცია. თითოეული ძირითადი კომპონენტი მცირდება კომპონენტად შეყვანით და გამომავალით, ხოლო დაკავშირებული ტალღის გამტარი მცირდება ფაზის ცვლასა და შესუსტების ელემენტამდე. ეს სიმულაციები ძალიან სწრაფია. გამომავალი სიგნალი მიიღება გადაცემის მატრიცის შეყვანის სიგნალზე გამრავლებით. გაფანტვის მატრიცა (რომლის ელემენტებს S- პარამეტრებს უწოდებენ) ამრავლებს შემავალ და გამომავალ სიგნალებს ერთ მხარეს, რათა იპოვოს შემავალი და გამომავალი სიგნალები კომპონენტის მეორე მხარეს. ძირითადად, გაფანტვის მატრიცა შეიცავს ელემენტის შიგნით ანარეკლს. გაფანტვის მატრიცა, როგორც წესი, ორჯერ უფრო დიდია, ვიდრე გადაცემის მატრიცა თითოეულ განზომილებაში. შეჯამებით, 3D EM-დან გადაცემის/გაფანტვის მატრიცის სიმულაციამდე, სიმულაციის თითოეული ფენა წარმოადგენს კომპრომისს სიჩქარესა და სიზუსტეს შორის და დიზაინერები ირჩევენ სიმულაციის სწორ დონეს მათი სპეციფიკური საჭიროებებისთვის, დიზაინის ვალიდაციის პროცესის ოპტიმიზაციისთვის.

თუმცა, გარკვეული ელემენტების ელექტრომაგნიტურ სიმულაციაზე დაყრდნობა და გაფანტვის/გადაცემის მატრიცის გამოყენება მთელი PIC-ის სიმულაციისთვის არ იძლევა გარანტიას ნაკადის ფირფიტის წინ სრულიად სწორ დიზაინს. მაგალითად, არასწორად გამოთვლილი ბილიკის სიგრძე, მულტიმოდური ტალღები, რომლებიც ვერ ახდენენ ეფექტურად თრგუნავენ მაღალი რიგის რეჟიმებს, ან ორი ტალღის გამყოფი, რომლებიც ძალიან ახლოს არიან ერთმანეთთან, რაც იწვევს დაწყვილების მოულოდნელ პრობლემებს, სავარაუდოდ, სიმულაციის დროს შეუმჩნეველი დარჩება. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ მოწინავე სიმულაციური ხელსაწყოები უზრუნველყოფს დიზაინის ვალიდაციის მძლავრ შესაძლებლობებს, ის მაინც მოითხოვს დიზაინერის მიერ სიფხიზლისა და ფრთხილად შემოწმებას, პრაქტიკულ გამოცდილებასთან და ტექნიკურ ცოდნასთან ერთად, დიზაინის სიზუსტისა და სანდოობის უზრუნველსაყოფად და რისკების შესამცირებლად. ნაკადის ფურცელი.

ტექნიკა სახელწოდებით sparse FDTD საშუალებას იძლევა 3D და 2D FDTD სიმულაციები შესრულდეს პირდაპირ სრულ PIC დიზაინზე, დიზაინის დასადასტურებლად. მიუხედავად იმისა, რომ ძნელია ნებისმიერი ელექტრომაგნიტური სიმულაციის ხელსაწყოსთვის ძალიან დიდი მასშტაბის PIC-ის სიმულაცია, მწირი FDTD-ს შეუძლია საკმაოდ დიდი ლოკალური არეალის სიმულაცია. ტრადიციულ 3D FDTD-ში, სიმულაცია იწყება ელექტრომაგნიტური ველის ექვსი კომპონენტის ინიციალიზებით კონკრეტული კვანტური მოცულობის ფარგლებში. დროთა განმავლობაში, ველის ახალი კომპონენტი გამოითვლება მოცულობაში და ა.შ. ყოველი ნაბიჯი მოითხოვს ბევრ გაანგარიშებას, ამიტომ დიდი დრო სჭირდება. იშვიათ 3D FDTD-ში, მოცულობის თითოეულ წერტილში თითოეულ საფეხურზე გაანგარიშების ნაცვლად, შენარჩუნებულია ველის კომპონენტების სია, რომელიც თეორიულად შეიძლება შეესაბამებოდეს თვითნებურად დიდ მოცულობას და გამოითვალოს მხოლოდ ამ კომპონენტებისთვის. ყოველ საფეხურზე, ველის კომპონენტების მიმდებარე წერტილები ემატება, ხოლო ველის კომპონენტები გარკვეული სიმძლავრის ზღურბლზე ქვემოთ იშლება. ზოგიერთი სტრუქტურისთვის, ეს გამოთვლა შეიძლება იყოს რამდენიმე რიგით უფრო სწრაფი ვიდრე ტრადიციული 3D FDTD. თუმცა, იშვიათი FDTDS არ მუშაობს კარგად დისპერსიულ სტრუქტურებთან ურთიერთობისას, რადგან დროის ეს ველი ძალიან ბევრს ავრცელებს, რაც იწვევს სიებს, რომლებიც ძალიან გრძელი და ძნელი სამართავია. სურათი 1 გვიჩვენებს 3D FDTD სიმულაციის მაგალითის სკრინშოტს პოლარიზაციის სხივის გამყოფის (PBS) მსგავსი.

სურათი 1: სიმულაციის შედეგები 3D მწირი FDTD-დან. (A) არის სიმულირებული სტრუქტურის ზედა ხედი, რომელიც არის მიმართულების შემწყვილებელი. (B) აჩვენებს სიმულაციის ეკრანის სურათს კვაზი-TE აგზნების გამოყენებით. ზემოთ მოცემულ ორ დიაგრამაზე ნაჩვენებია კვაზი-TE და კვაზი-TM სიგნალების ზედა ხედი, ხოლო ქვემოთ მოცემული ორი დიაგრამა აჩვენებს შესაბამის განივი ხედს. (C) აჩვენებს სიმულაციის ეკრანის სურათს კვაზი-TM აგზნების გამოყენებით.