Σχεδιασμός φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος

Σχεδιασμόςφωτονικόςολοκληρωμένο κύκλωμα

Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα(PIC) συχνά σχεδιάζονται με τη βοήθεια μαθηματικών σεναρίων λόγω της σημασίας του μήκους διαδρομής σε συμβολομετρικά ή σε άλλες εφαρμογές που είναι ευαίσθητες στο μήκος διαδρομής.Είδοςκατασκευάζεται με το να μοιάζει με πολλαπλά στρώματα (συνήθως 10 έως 30) σε ένα δίσκο, τα οποία αποτελούνται από πολλά πολυγωνικά σχήματα, που συχνά αντιπροσωπεύονται στη μορφή GDSII. Πριν στείλετε το αρχείο στον κατασκευαστή Photomask, είναι έντονα επιθυμητό να μπορείτε να προσομοιώσετε την εικόνα για να επαληθεύσετε την ορθότητα του σχεδίου. Η προσομοίωση διαιρείται σε πολλαπλά επίπεδα: το χαμηλότερο επίπεδο είναι η τρισδιάστατη ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση (EM), όπου η προσομοίωση πραγματοποιείται στο επίπεδο του υπο-κύματος, αν και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων στο υλικό αντιμετωπίζονται στη μακροσκοπική κλίμακα. Οι τυπικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τρισδιάστατη πεπερασμένη χρονική τομή (3D ​​FDTD) και επέκταση ιδιοκτησίας (EME). Αυτές οι μέθοδοι είναι οι πιο ακριβείς, αλλά δεν είναι πρακτικές για ολόκληρο τον χρόνο προσομοίωσης PIC. Το επόμενο επίπεδο είναι η προσομοίωση EM 2,5-διαστάσεων, όπως η διάδοση της δέσμης πεπερασμένων διαφορών (FD-BPM). Αυτές οι μέθοδοι είναι πολύ ταχύτερες, αλλά θυσιάζουν κάποια ακρίβεια και μπορούν να χειριστούν μόνο την παραξική διάδοση και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση των αντηθμών, για παράδειγμα. Το επόμενο επίπεδο είναι η προσομοίωση 2D EM, όπως το 2D FDTD και το 2D BPM. Αυτά είναι επίσης ταχύτερα, αλλά έχουν περιορισμένη λειτουργικότητα, όπως δεν μπορούν να προσομοιώσουν περιστροφές πόλωσης. Ένα επιπλέον επίπεδο είναι η προσομοίωση μετάδοσης και/ή διασκορπισμού. 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 επιτυγχάνεται πολλαπλασιάζοντας τη μήτρα μετάδοσης με το σήμα εισόδου. Η μήτρα σκέδασης (των οποίων τα στοιχεία ονομάζονται S-Parameters) πολλαπλασιάζει τα σήματα εισόδου και εξόδου στη μία πλευρά για να βρουν τα σήματα εισόδου και εξόδου στην άλλη πλευρά του στοιχείου. Βασικά, η μήτρα σκέδασης περιέχει τον προβληματισμό μέσα στο στοιχείο. Η μήτρα σκέδασης είναι συνήθως διπλάσια από τη μήτρα μετάδοσης σε κάθε διάσταση. Συνοπτικά, από το 3D EM έως την προσομοίωση της μήτρας μετάδοσης/σκέδασης, κάθε στρώμα προσομοίωσης παρουσιάζει ένα συμβιβασμό μεταξύ ταχύτητας και ακρίβειας και οι σχεδιαστές επιλέγουν το σωστό επίπεδο προσομοίωσης για τις συγκεκριμένες ανάγκες τους για βελτιστοποίηση της διαδικασίας επικύρωσης σχεδιασμού.

Ωστόσο, στηριζόμενη στην ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση ορισμένων στοιχείων και στη χρήση μήτρας σκέδασης/μεταφοράς για να προσομοιωθεί ολόκληρη η εικόνα δεν εγγυάται ένα εντελώς σωστό σχέδιο μπροστά από την πλάκα ροής. Για παράδειγμα, τα μη υπολογισμένα μήκη διαδρομής, οι πολυτροπικοί κυματοδηγοί που αποτυγχάνουν να καταστείλουν αποτελεσματικά τις λειτουργίες υψηλής τάξης ή δύο κυματοδηγοί που είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλο που οδηγούν σε απροσδόκητα προβλήματα σύζευξης είναι πιθανό να μην ανιχνευθούν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Ως εκ τούτου, αν και τα προηγμένα εργαλεία προσομοίωσης παρέχουν ισχυρές δυνατότητες επικύρωσης σχεδιασμού, απαιτεί ακόμα υψηλό βαθμό επαγρύπνησης και προσεκτικής επιθεώρησης από τον σχεδιαστή, σε συνδυασμό με την πρακτική εμπειρία και τις τεχνικές γνώσεις, για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του σχεδιασμού και η μείωση του κινδύνου ροής.

Μια τεχνική που ονομάζεται SPERSE FDTD επιτρέπει την εκτέλεση προσομοιώσεων 3D και 2D FDTD απευθείας σε ένα πλήρες σχέδιο PIC για την επικύρωση του σχεδιασμού. Παρόλο που είναι δύσκολο για κάθε εργαλείο ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης να προσομοιώνει μια πολύ μεγάλη κλίμακα PIC, το αραιό FDTD είναι σε θέση να προσομοιώσει μια αρκετά μεγάλη τοπική περιοχή. Στο παραδοσιακό 3D FDTD, η προσομοίωση αρχίζει με την προετοιμασία των έξι συστατικών του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μέσα σε έναν συγκεκριμένο κβαντοποιημένο όγκο. Καθώς ο χρόνος εξελίσσεται, υπολογίζεται το νέο στοιχείο πεδίου στον όγκο και ούτω καθεξής. Κάθε βήμα απαιτεί πολλούς υπολογισμούς, οπότε χρειάζεται πολύς χρόνος. Σε αραιή 3D FDTD, αντί να υπολογίζεται σε κάθε βήμα σε κάθε σημείο του όγκου, διατηρείται ένας κατάλογος των εξαρτημάτων πεδίου που μπορεί να αντιστοιχεί θεωρητικά σε έναν αυθαίρετα μεγάλο όγκο και να υπολογιστεί μόνο για αυτά τα συστατικά. Σε κάθε βήμα χρόνου, προστίθενται δίπλα στα εξαρτήματα πεδίου, ενώ τα εξαρτήματα πεδίου κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο ισχύος πέφτουν. Για ορισμένες δομές, αυτός ο υπολογισμός μπορεί να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους γρηγορότερα από το παραδοσιακό 3D FDTD. Ωστόσο, οι αραιές FDTDs δεν αποδίδουν καλά όταν ασχολούνται με διασκορπιστικές δομές, επειδή αυτό το πεδίο χρονικής περιόδου εξαπλώνεται πάρα πολύ, με αποτέλεσμα οι κατάλογοι που είναι πολύ μεγάλες και δύσκολο να διαχειριστούν. Το σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα οθόνης μιας προσομοίωσης 3D FDTD παρόμοια με έναν διαχωριστή δέσμης πόλωσης (PBS).

Εικόνα 1: Αποτελέσματα προσομοίωσης από 3D αραιή FDTD. (Α) είναι μια κάλυψη της δομής που προσομοιώνεται, η οποία είναι ένας κατευθυντικός ζεύκτης. (Β) δείχνει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης χρησιμοποιώντας διέγερση οιονεί TE. Τα δύο παραπάνω διαγράμματα δείχνουν την κάλυψη των οιονεί σημάτων και τα οιονεί σήματα και τα δύο διαγράμματα παρακάτω δείχνουν την αντίστοιχη προβολή διατομής. (Γ) δείχνει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης χρησιμοποιώντας διέγερση οιονεί-TM.