طراحی مدار یکپارچه فوتونی

طرحوابسته به نورمدار یکپارچه

مدارهای یکپارچه فوتونی(PIC) به دلیل اهمیت طول مسیر در تداخل سنج ها یا سایر برنامه های کاربردی که نسبت به طول مسیر حساس هستند ، اغلب با کمک اسکریپت های ریاضی طراحی می شوند.عکسبا استفاده از چندین لایه (به طور معمول 10 تا 30) بر روی ویفر ، که از بسیاری از اشکال چند ضلعی تشکیل شده است ، که اغلب در قالب GDSII نشان داده می شوند ، ساخته می شود. قبل از ارسال پرونده به سازنده PhotoMask ، به شدت مطلوب است که بتوانید PIC را برای تأیید صحت طرح شبیه سازی کنید. شبیه سازی به چندین سطح تقسیم می شود: پایین ترین سطح شبیه سازی الکترومغناطیسی سه بعدی (EM) است که در آن شبیه سازی در سطح زیر موج انجام می شود ، اگرچه تعامل بین اتم های موجود در مقیاس در مقیاس ماکروسکوپی انجام می شود. روشهای معمولی شامل دامنه زمان با اختلاف محدود سه بعدی (3D FDTD) و گسترش Eigenmode (EME) است. این روشها دقیق ترین هستند ، اما برای کل زمان شبیه سازی PIC غیر عملی هستند. سطح بعدی شبیه سازی EM 2.5 بعدی است ، مانند انتشار پرتوهای محدود محدود (FD-BPM). این روشها بسیار سریعتر هستند ، اما برخی از دقت را فدا می کنند و فقط می توانند تکثیر پاراکسیال را کنترل کنند و به عنوان مثال نمی توان از آن برای شبیه سازی تشدید کننده ها استفاده کرد. سطح بعدی شبیه سازی EM 2D است ، مانند 2D FDTD و BPM 2D. اینها همچنین سریعتر هستند ، اما عملکرد محدودی دارند ، مانند آنها نمی توانند روتاتورهای قطبی سازی را شبیه سازی کنند. سطح دیگر شبیه سازی ماتریس انتقال و یا پراکندگی است. هر مؤلفه اصلی به یک مؤلفه با ورودی و خروجی کاهش می یابد و موجبر متصل به یک عنصر تغییر فاز و میرایی کاهش می یابد. این شبیه سازی ها بسیار سریع هستند. سیگنال خروجی با ضرب ماتریس انتقال توسط سیگنال ورودی بدست می آید. ماتریس پراکندگی (که عناصر آن به نام S-Parameters نامیده می شوند) سیگنال های ورودی و خروجی را از یک طرف ضرب می کنند تا سیگنال های ورودی و خروجی را در طرف دیگر مؤلفه پیدا کنند. در اصل ، ماتریس پراکندگی حاوی بازتاب درون عنصر است. ماتریس پراکندگی معمولاً دو برابر ماتریس انتقال در هر بعد است. به طور خلاصه ، از سه بعدی EM به شبیه سازی ماتریس انتقال/پراکندگی ، هر لایه شبیه سازی تجارت بین سرعت و دقت را نشان می دهد ، و طراحان سطح مناسب شبیه سازی را برای نیازهای خاص خود برای بهینه سازی فرایند اعتبار سنجی طراحی انتخاب می کنند.

با این حال ، تکیه بر شبیه سازی الکترومغناطیسی عناصر خاص و استفاده از یک ماتریس پراکندگی/انتقال برای شبیه سازی کل PIC ، یک طراحی کاملاً صحیح را در مقابل صفحه جریان تضمین نمی کند. به عنوان مثال ، طول مسیر اشتباه محاسبه شده ، موجبرهای چند حالته که به طور مؤثر در سرکوب حالت های مرتبه بالا نیستند ، یا دو موجبر که خیلی نزدیک به یکدیگر هستند و منجر به مشکلات اتصال غیر منتظره می شوند ، احتمالاً در طول شبیه سازی کشف نمی شوند. بنابراین ، اگرچه ابزارهای شبیه سازی پیشرفته قابلیت های اعتبار سنجی طراحی قدرتمند را ارائه می دهند ، اما هنوز هم نیاز به درجه بالایی از هوشیاری و بازرسی دقیق توسط طراح ، همراه با تجربه عملی و دانش فنی دارد تا از صحت و قابلیت اطمینان طراحی اطمینان حاصل کند و خطر ورق جریان را کاهش دهد.

تکنیکی به نام پراکنده FDTD اجازه می دهد تا شبیه سازی های 3D و 2D FDTD به طور مستقیم در یک طرح PIC کامل انجام شود تا اعتبار طراحی شود. اگرچه برای هر ابزار شبیه سازی الکترومغناطیسی برای شبیه سازی یک عکس در مقیاس بسیار بزرگ دشوار است ، اما FDTD پراکنده قادر به شبیه سازی یک منطقه محلی نسبتاً بزرگ است. در FDTD سه بعدی سنتی ، شبیه سازی با شروع شش مؤلفه میدان الکترومغناطیسی در یک حجم کمیت خاص آغاز می شود. با پیشرفت زمان ، مؤلفه میدان جدید در حجم محاسبه می شود و غیره. هر مرحله به محاسبه زیادی نیاز دارد ، بنابراین مدت زمان زیادی طول می کشد. در FDTD 3D پراکنده ، به جای محاسبه در هر مرحله در هر نقطه از حجم ، لیستی از اجزای میدانی حفظ می شود که می تواند از نظر تئوری با یک حجم خودسرانه بزرگ مطابقت داشته باشد و فقط برای آن مؤلفه ها محاسبه شود. در هر مرحله ، نقاط مجاور اجزای میدانی اضافه می شوند ، در حالی که اجزای میدان زیر یک آستانه قدرت خاص کاهش می یابد. برای برخی از ساختارها ، این محاسبه می تواند چندین مرتبه از بزرگی سریعتر از FDTD 3D سنتی باشد. با این حال ، FDTD های پراکنده هنگام برخورد با ساختارهای پراکنده عملکرد خوبی ندارند زیرا این زمینه زمانی بیش از حد پخش می شود ، و در نتیجه لیست هایی که مدیریت آن بسیار طولانی و دشوار است. شکل 1 یک تصویر نمونه از یک شبیه سازی FDTD سه بعدی شبیه به یک تقسیم پرتوی قطبش (PBS) را نشان می دهد.

شکل 1: نتایج شبیه سازی از FDTD پراکنده سه بعدی. (الف) نمای برتر از ساختار شبیه سازی شده است که یک اتصال دهنده جهت دار است. (ب) تصویری از شبیه سازی را با استفاده از تحریک شبه TE نشان می دهد. دو نمودار بالا نمای بالای سیگنال های شبه TE و شبه TM را نشان می دهد و دو نمودار زیر نمای مقطعی مربوطه را نشان می دهد. (ج) تصویری از شبیه سازی را با استفاده از تحریک شبه TM نشان می دهد.