ფოტონური ინტეგრირებული წრის დიზაინი

დიზაინიფოტონურიინტეგრირებული წრე

ფოტონური ინტეგრირებული სქემები(სურათი) ხშირად შექმნილია მათემატიკური სკრიპტების დახმარებით, ინტერფერომეტრებში ან სხვა პროგრამებში ბილიკის სიგრძის მნიშვნელობის გამო, რომლებიც მგრძნობიარეა ბილიკის სიგრძის მიმართ.პიკიიწარმოება ვაფაზე მრავალჯერადი ფენის (ჩვეულებრივ 10 -დან 30 -მდე) ნიმუშით, რომლებიც შედგება მრავალი მრავალკუთხა ფორმისგან, რომლებიც ხშირად წარმოდგენილია GDSII ფორმატით. სანამ ფაილი Photomask მწარმოებელს გაგზავნით, სასურველია, რომ შეძლოთ PIC– ის სიმულაცია, დიზაინის სისწორის გადამოწმების მიზნით. სიმულაცია იყოფა მრავალ დონეზე: ყველაზე დაბალი დონე არის სამგანზომილებიანი ელექტრომაგნიტური (EM) სიმულაცია, სადაც სიმულაცია ხორციელდება ქვე-ტალღის დონეზე, თუმცა მასალაში ატომებს შორის ურთიერთქმედება ხდება მაკროსკოპული მასშტაბით. ტიპიური მეთოდები მოიცავს სამგანზომილებიანი სასრული განსხვავების დროის დომენის (3D FDTD) და EigenMode გაფართოებას (EME). ეს მეთოდები ყველაზე ზუსტია, მაგრამ არაპრაქტიკულია მთელი PIC სიმულაციის დროისთვის. შემდეგი დონე არის 2.5-განზომილებიანი EM სიმულაცია, მაგალითად, სასრული განსხვავების სხივის გამრავლება (FD-BPM). ეს მეთოდები ბევრად უფრო სწრაფია, მაგრამ მსხვერპლს სწირავს გარკვეულ სიზუსტეს და მხოლოდ პარაქციური გამრავლების მოგვარებაა და მაგალითად, ვერ გამოიყენებს რეზონატორების სიმულაციას. შემდეგი დონე არის 2D EM სიმულაცია, მაგალითად, 2D FDTD და 2D BPM. ეს ასევე უფრო სწრაფია, მაგრამ აქვთ შეზღუდული ფუნქციონირება, მაგალითად, მათ არ შეუძლიათ პოლარიზაციის როტატორების სიმულაცია. შემდგომი დონე არის გადაცემის ან/და გაფანტვის მატრიქსის სიმულაცია. თითოეული ძირითადი კომპონენტი მცირდება შეყვანის და გამომუშავების კომპონენტად, ხოლო დაკავშირებული ტალღის შემსრულებელი მცირდება ფაზის ცვლაზე და შემცირების ელემენტზე. ეს სიმულაციები ძალიან სწრაფია. გამომავალი სიგნალი მიიღება გადაცემის მატრიცის გამრავლებით შეყვანის სიგნალით. გაფანტვის მატრიცა (რომლის ელემენტებს უწოდებენ S- პარამეტრებს) ამრავლებს შეყვანის და გამომავალი სიგნალებს ერთ მხარეს, რომ იპოვოთ შეყვანის და გამომავალი სიგნალები კომპონენტის მეორე მხარეს. ძირითადად, გაფანტული მატრიცა შეიცავს ასახვას ელემენტის შიგნით. გაფანტული მატრიცა, როგორც წესი, ორჯერ უფრო დიდია, ვიდრე გადამცემი მატრიცა თითოეულ განზომილებაში. მოკლედ რომ ვთქვათ, 3D EM– დან გადაცემის/გაფანტვის მატრიქსის სიმულაციამდე, სიმულაციის თითოეული ფენა წარმოადგენს ვაჭრობას სიჩქარესა და სიზუსტეს შორის, ხოლო დიზაინერები ირჩევენ სიმულაციის სწორ დონეს მათი სპეციფიკური საჭიროებისთვის, დიზაინის დამადასტურებელი პროცესის ოპტიმიზაციისთვის.

ამასთან, გარკვეული ელემენტების ელექტრომაგნიტური სიმულაციის დაყრდნობით და მთლიანი სურათის სიმულაციისთვის გაფანტვის/გადაცემის მატრიქსის გამოყენებით არ იძლევა გარანტიას ნაკადის ფირფიტის წინ. მაგალითად, არასწორად დაანგარიშებული ბილიკის სიგრძე, მულტიმოდური ტალღები, რომლებიც ვერ ახერხებენ მაღალი დონის რეჟიმების ეფექტურად ჩახშობას, ან ორი ტალღის გამანადგურებელი, რომლებიც ძალიან ახლოს არიან ერთმანეთთან, რამაც გამოიწვია მოულოდნელი დაწყვილების პრობლემები, სავარაუდოდ, სიმულაციის დროს დაუსაბუთებელია. ამრიგად, მიუხედავად იმისა, რომ მოწინავე სიმულაციური საშუალებები უზრუნველყოფენ დიზაინის დადასტურების მძლავრ შესაძლებლობებს, იგი მაინც მოითხოვს დიზაინერის მიერ სიფხიზლისა და ფრთხილად შემოწმებას, პრაქტიკულ გამოცდილებასთან და ტექნიკურ ცოდნასთან ერთად, დიზაინის სიზუსტისა და საიმედოობის უზრუნველსაყოფად და შეამციროს ნაკადის ფურცლის რისკი.

ტექნიკა, სახელწოდებით Sparse FDTD, საშუალებას აძლევს 3D და 2D FDTD სიმულაციებს ჩატარდეს უშუალოდ სრულ სურათზე, დიზაინის შესამოწმებლად. მიუხედავად იმისა, რომ ნებისმიერი ელექტრომაგნიტური სიმულაციური ინსტრუმენტი რთულია ძალიან მასშტაბური სურათის სიმულაციისთვის, იშვიათ FDTD– ს შეუძლია საკმაოდ დიდი ადგილობრივი ტერიტორიის სიმულაცია. ტრადიციულ 3D FDTD– ში, სიმულაცია იწყება ელექტრომაგნიტური ველის ექვსი კომპონენტის ინიციალიზაციით, კონკრეტული რაოდენობრივი მოცულობით. რაც დრო პროგრესირებს, გამოითვლება მოცულობის ახალი ველის კომპონენტი და ა.შ. თითოეული ნაბიჯი მოითხოვს უამრავ გაანგარიშებას, ამიტომ ამას დიდი დრო სჭირდება. იშვიათ 3D FDTD– ში, მოცულობის თითოეულ წერტილში თითოეულ ეტაპზე გაანგარიშების ნაცვლად, შენარჩუნებულია საველე კომპონენტების ჩამონათვალი, რომელსაც თეორიულად შეუძლია შეესაბამებოდეს თვითნებურად დიდ მოცულობას და გამოითვალოს მხოლოდ ამ კომპონენტებისთვის. ყოველ ჯერზე, საველე კომპონენტების მიმდებარე წერტილები ემატება, ხოლო გარკვეული დენის ბარიერის ქვემოთ მოცემული საველე კომპონენტები ჩამოაგდეს. ზოგიერთი სტრუქტურისთვის, ეს გამოთვლა შეიძლება იყოს მასშტაბის რამდენიმე ბრძანება უფრო სწრაფად, ვიდრე ტრადიციული 3D FDTD. ამასთან, იშვიათი FDTD– ები კარგად არ ასრულებენ დისპერსიულ სტრუქტურებთან ურთიერთობისას, რადგან ამ დროის ველი ძალიან ვრცელდება, რის შედეგადაც სიები ძალიან გრძელი და რთულია. სურათი 1 გვიჩვენებს 3D FDTD სიმულაციის ეკრანის სურათს, რომელიც მსგავსია პოლარიზაციის სხივის სპლიტერის (PBS).

სურათი 1: სიმულაციის შედეგია 3D სპარსი FDTD. (ა) წარმოადგენს სტრუქტურის სიმულაციის ზედა ხედი, რომელიც წარმოადგენს მიმართულებითი კუპე. (ბ) გვიჩვენებს სიმულაციის ეკრანის ანაბეჭდი კვაზი-Te აგზნების გამოყენებით. ზემოთ მოყვანილი ორი დიაგრამა გვიჩვენებს კვაზი-Te და quasi-TM სიგნალების ზედა ხედვას, ხოლო ქვემოთ მოცემულ ორი დიაგრამა გვიჩვენებს შესაბამის განივი ხედი. (გ) გვიჩვენებს სიმულაციის ეკრანის ანაბეჭდი კვაზი-TM აგზნების გამოყენებით.