Σχεδιασμός φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος

Σχεδιασμός τουφωτονικόςολοκληρωμένο κύκλωμα

Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα(PIC) συχνά σχεδιάζονται με τη βοήθεια μαθηματικών σεναρίων λόγω της σημασίας του μήκους διαδρομής σε συμβολόμετρα ή άλλες εφαρμογές που είναι ευαίσθητες στο μήκος διαδρομής.PICκατασκευάζεται με διαμόρφωση πολλαπλών στρωμάτων (συνήθως 10 έως 30) σε μια γκοφρέτα, τα οποία αποτελούνται από πολλά πολυγωνικά σχήματα, που συχνά αντιπροσωπεύονται στη μορφή GDSII. Πριν στείλετε το αρχείο στον κατασκευαστή της φωτομάσκας, είναι πολύ επιθυμητό να μπορείτε να προσομοιώσετε το PIC για να επαληθεύσετε την ορθότητα του σχεδίου. 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. Οι τυπικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τον τρισδιάστατο τομέα χρόνου πεπερασμένων διαφορών (3D FDTD) και την επέκταση ιδιοτρόπου (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 δέσμης πεπερασμένων διαφορών (FD-BPM). Αυτές οι μέθοδοι είναι πολύ πιο γρήγορες, αλλά θυσιάζουν κάποια ακρίβεια και μπορούν να χειριστούν μόνο την παραξιακή διάδοση και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση συντονιστών, 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, καθώς δεν μπορούν να προσομοιώσουν στροφείς πόλωσης. Ένα περαιτέρω επίπεδο είναι η προσομοίωση μήτρας μετάδοσης και/ή σκέδασης. Κάθε κύριο εξάρτημα ανάγεται σε ένα εξάρτημα 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 (τα στοιχεία του οποίου ονομάζονται παράμετροι S) πολλαπλασιάζει τα σήματα εισόδου και εξόδου στη μία πλευρά για να βρει τα σήματα εισόδου και εξόδου στην άλλη πλευρά του στοιχείου. 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 το 3D EM έως την προσομοίωση μήτρας μετάδοσης/σκέδασης, κάθε επίπεδο προσομοίωσης παρουσιάζει μια αντιστάθμιση 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 βάση στην ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση ορισμένων στοιχείων και η χρήση μιας μήτρας σκέδασης/μεταφοράς για την προσομοίωση ολόκληρου του PIC δεν εγγυάται έναν απόλυτα σωστό σχεδιασμό μπροστά από την πλάκα ροής. Για παράδειγμα, εσφαλμένα υπολογισμένα μήκη διαδρομής, πολυτροπικοί κυματοδηγοί που αποτυγχάνουν να καταστείλουν αποτελεσματικά λειτουργίες υψηλής τάξης ή δύο κυματοδηγοί που είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλο οδηγώντας σε απροσδόκητα προβλήματα σύζευξης είναι πιθανό να μην ανιχνευθούν κατά την προσομοίωση. Ως εκ τούτου, αν και 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 εξασφαλιστεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του σχεδιασμού και να μειωθεί ο κίνδυνος φύλλο ροής.

Μια τεχνική που ονομάζεται sparse FDTD επιτρέπει την εκτέλεση προσομοιώσεων 3D και 2D FDTD απευθείας σε ένα πλήρες σχέδιο PIC για την επικύρωση του σχεδιασμού. Αν και είναι δύσκολο για οποιοδήποτε εργαλείο ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης να προσομοιώσει ένα PIC πολύ μεγάλης κλίμακας, το αραιό FDTD είναι σε θέση να προσομοιώσει μια αρκετά μεγάλη τοπική περιοχή. Στο παραδοσιακό 3D FDTD, η προσομοίωση ξεκινά με την προετοιμασία των έξι συνιστωσών του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου εντός ενός συγκεκριμένου κβαντισμένου όγκου. Καθώς ο χρόνος προχωρά, το νέο στοιχείο πεδίου στον τόμο υπολογίζεται και ούτω καθεξής. Κάθε βήμα απαιτεί πολύ υπολογισμό, επομένως χρειάζεται πολύς χρόνος. Στο αραιό 3D FDTD, αντί να υπολογίζεται σε κάθε βήμα σε κάθε σημείο του όγκου, διατηρείται μια λίστα στοιχείων πεδίου που μπορεί θεωρητικά να αντιστοιχούν σε έναν αυθαίρετα μεγάλο όγκο και να υπολογίζονται 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 απορρίπτονται. Για ορισμένες δομές, αυτός ο υπολογισμός μπορεί να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους ταχύτερος από τον παραδοσιακό 3D FDTD. Ωστόσο, τα αραιά FDTDS δεν έχουν καλή απόδοση όταν ασχολούνται με δομές διασποράς, επειδή αυτό το πεδίο χρόνου εξαπλώνεται πάρα πολύ, 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).

Εικόνα 1: Αποτελέσματα προσομοίωσης από 3D αραιό FDTD. Το (A) είναι μια κάτοψη της δομής που προσομοιώνεται, η οποία είναι ένας κατευθυντικός συζεύκτης. (Β) Εμφανίζει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης που χρησιμοποιεί διέγερση οιονεί ΤΕ. Τα δύο παραπάνω διαγράμματα δείχνουν την επάνω όψη των quasi-TE και quasi-TM σημάτων, και τα δύο παρακάτω διαγράμματα δείχνουν την αντίστοιχη όψη διατομής. (C) Εμφανίζει ένα στιγμιότυπο οθόνης μιας προσομοίωσης χρησιμοποιώντας διέγερση οιονεί TM.