Σχεδιασμός φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος

Σχεδιασμός τουφωτονικόολοκληρωμένο κύκλωμα

Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα(PIC) συχνά σχεδιάζονται με τη βοήθεια μαθηματικών σεναρίων λόγω της σημασίας του μήκους της διαδρομής σε συμβολόμετρα ή άλλες εφαρμογές που είναι ευαίσθητες στο μήκος της διαδρομής.ΣΧΗΜΑκατασκευάζεται με την εφαρμογή πολλαπλών στρώσεων (συνήθως 10 έως 30) σε μια πλακέτα, η οποία αποτελείται από πολλά πολυγωνικά σχήματα, που συχνά αναπαρίστανται σε μορφή GDSII. Πριν από την αποστολή του αρχείου στον κατασκευαστή της φωτομάσκας, είναι ιδιαίτερα επιθυμητό να είναι δυνατή η προσομοίωση του PIC για την επαλήθευση της ορθότητας του σχεδιασμού. Η προσομοίωση χωρίζεται σε πολλαπλά επίπεδα: το χαμηλότερο επίπεδο είναι η τρισδιάστατη ηλεκτρομαγνητική (EM) προσομοίωση, όπου η προσομοίωση εκτελείται σε επίπεδο υπομήκους κύματος, αν και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων στο υλικό αντιμετωπίζονται σε μακροσκοπική κλίμακα. Τυπικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τρισδιάστατο χρονικό πεδίο πεπερασμένων διαφορών (3D FDTD) και επέκταση ιδιοτροπίας (EME). Αυτές οι μέθοδοι είναι οι πιο ακριβείς, αλλά δεν είναι πρακτικές για ολόκληρο τον χρόνο προσομοίωσης PIC. Το επόμενο επίπεδο είναι η 2,5-διάστατη EM προσομοίωση, όπως η διάδοση δέσμης πεπερασμένων διαφορών (FD-BPM). Αυτές οι μέθοδοι είναι πολύ πιο γρήγορες, αλλά θυσιάζουν κάποια ακρίβεια και μπορούν να χειριστούν μόνο παραξονική διάδοση και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση συντονιστών, για παράδειγμα. Το επόμενο επίπεδο είναι η προσομοίωση 2D EM, όπως η 2D FDTD και η 2D BPM. Αυτές είναι επίσης ταχύτερες, αλλά έχουν περιορισμένη λειτουργικότητα, όπως δεν μπορούν να προσομοιώσουν περιστροφείς πόλωσης. Ένα περαιτέρω επίπεδο είναι η προσομοίωση μήτρας μετάδοσης ή/και σκέδασης. Κάθε κύριο στοιχείο μειώνεται σε ένα στοιχείο με είσοδο και έξοδο, και ο συνδεδεμένος κυματοδηγός μειώνεται σε ένα στοιχείο μετατόπισης φάσης και εξασθένησης. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι εξαιρετικά γρήγορες. Το σήμα εξόδου λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας τον πίνακα μετάδοσης με το σήμα εισόδου. Ο πίνακας σκέδασης (του οποίου τα στοιχεία ονομάζονται S-παράμετροι) πολλαπλασιάζει τα σήματα εισόδου και εξόδου στη μία πλευρά για να βρει τα σήματα εισόδου και εξόδου στην άλλη πλευρά του εξαρτήματος. Βασικά, ο πίνακας σκέδασης περιέχει την ανάκλαση μέσα στο στοιχείο. Ο πίνακας σκέδασης είναι συνήθως διπλάσιος από τον πίνακα μετάδοσης σε κάθε διάσταση. Συνοπτικά, από την προσομοίωση 3D EM έως την προσομοίωση μήτρας μετάδοσης/σκέδασης, κάθε επίπεδο προσομοίωσης παρουσιάζει μια ανταλλαγή μεταξύ ταχύτητας και ακρίβειας, και οι σχεδιαστές επιλέγουν το σωστό επίπεδο προσομοίωσης για τις συγκεκριμένες ανάγκες τους για να βελτιστοποιήσουν τη διαδικασία επικύρωσης σχεδιασμού.

Ωστόσο, η εξάρτηση από την ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση ορισμένων στοιχείων και η χρήση ενός πίνακα σκέδασης/μεταφοράς για την προσομοίωση ολόκληρου του PIC δεν εγγυάται έναν εντελώς σωστό σχεδιασμό μπροστά από την πλάκα ροής. Για παράδειγμα, τα λανθασμένα υπολογισμένα μήκη διαδρομής, οι πολύτροποι κυματοδηγοί που δεν καταφέρνουν να καταστείλουν αποτελεσματικά τις υψηλής τάξης λειτουργίες ή δύο κυματοδηγοί που βρίσκονται πολύ κοντά ο ένας στον άλλο, οδηγώντας σε απροσδόκητα προβλήματα σύζευξης, είναι πιθανό να μην εντοπιστούν κατά την προσομοίωση. Επομένως, παρόλο που τα προηγμένα εργαλεία προσομοίωσης παρέχουν ισχυρές δυνατότητες επικύρωσης σχεδιασμού, εξακολουθεί να απαιτείται υψηλός βαθμός επαγρύπνησης και προσεκτικής επιθεώρησης από τον σχεδιαστή, σε συνδυασμό με πρακτική εμπειρία και τεχνικές γνώσεις, για να διασφαλιστεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του σχεδιασμού και να μειωθεί ο κίνδυνος του φύλλου ροής.

Μια τεχνική που ονομάζεται αραιή FDTD επιτρέπει την εκτέλεση προσομοιώσεων FDTD 3D και 2D απευθείας σε ένα πλήρες σχέδιο PIC για την επικύρωση του σχεδίου. Αν και είναι δύσκολο για οποιοδήποτε εργαλείο ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης να προσομοιώσει ένα PIC πολύ μεγάλης κλίμακας, η αραιή FDTD είναι σε θέση να προσομοιώσει μια αρκετά μεγάλη τοπική περιοχή. Στην παραδοσιακή 3D FDTD, η προσομοίωση ξεκινά με την αρχικοποίηση των έξι συνιστωσών του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εντός ενός συγκεκριμένου κβαντισμένου όγκου. Καθώς ο χρόνος προχωρά, υπολογίζεται η νέα συνιστώσα πεδίου στον όγκο, και ούτω καθεξής. Κάθε βήμα απαιτεί πολλούς υπολογισμούς, επομένως διαρκεί πολύς χρόνος. Στην αραιή 3D FDTD, αντί να υπολογίζεται σε κάθε βήμα σε κάθε σημείο του όγκου, διατηρείται μια λίστα συνιστωσών πεδίου που θεωρητικά μπορεί να αντιστοιχεί σε έναν αυθαίρετα μεγάλο όγκο και να υπολογίζεται μόνο για αυτά τα στοιχεία. Σε κάθε χρονικό βήμα, προστίθενται σημεία δίπλα σε στοιχεία πεδίου, ενώ τα στοιχεία πεδίου κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο ισχύος παραλείπονται. Για ορισμένες δομές, αυτός ο υπολογισμός μπορεί να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους γρηγορότερος από την παραδοσιακή 3D FDTD. Ωστόσο, τα αραιά FDTDS δεν αποδίδουν καλά όταν ασχολούνται με διασπορές δομές επειδή αυτό το χρονικό πεδίο εξαπλώνεται υπερβολικά, με αποτέλεσμα λίστες που είναι πολύ μεγάλες και δύσκολες στη διαχείριση. Το Σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα στιγμιότυπου οθόνης μιας προσομοίωσης 3D FDTD παρόμοιας με έναν διαχωριστή δέσμης πόλωσης (PBS).

Σχήμα 1: Αποτελέσματα προσομοίωσης από τρισδιάστατη αραιή FDTD. (Α) είναι μια κάτοψη της δομής που προσομοιώνεται, η οποία είναι ένας κατευθυντικός ζεύκτης. (Β) Δείχνει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης που χρησιμοποιεί διέγερση quasi-TE. Τα δύο παραπάνω διαγράμματα δείχνουν την κάτοψη των σημάτων quasi-TE και quasi-TM, και τα δύο παρακάτω διαγράμματα δείχνουν την αντίστοιχη διατομή. (Γ) Δείχνει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης που χρησιμοποιεί διέγερση quasi-TM.