طراحیفوتونیکمدار مجتمع
مدارهای مجتمع فوتونیکی(PIC) اغلب به دلیل اهمیت طول مسیر در تداخل‌سنج‌ها یا سایر کاربردهایی که به طول مسیر حساس هستند، با کمک اسکریپت‌های ریاضی طراحی می‌شوند.عکسبا استفاده از الگوی لایه‌های چندگانه (معمولاً 10 تا 30) روی یک ویفر تولید می‌شود که از اشکال چندضلعی زیادی تشکیل شده‌اند که اغلب در قالب GDSII نمایش داده می‌شوند. قبل از ارسال فایل به سازنده‌ی ماسک نوری، بسیار مطلوب است که بتوان PIC را شبیه‌سازی کرد تا صحت طراحی تأیید شود. شبیه‌سازی به چندین سطح تقسیم می‌شود: پایین‌ترین سطح، شبیه‌سازی الکترومغناطیسی سه‌بعدی (EM) است که در آن شبیه‌سازی در سطح زیر طول موج انجام می‌شود، اگرچه برهمکنش‌های بین اتم‌ها در ماده در مقیاس ماکروسکوپی انجام می‌شود. روش‌های معمول شامل شبیه‌سازی سه‌بعدی تفاضل محدود در حوزه زمان (3D FDTD) و بسط ویژه‌مد (EME) است. این روش‌ها دقیق‌ترین هستند، اما برای کل زمان شبیه‌سازی PIC غیرعملی هستند. سطح بعدی، شبیه‌سازی EM 2.5 بعدی، مانند انتشار پرتو تفاضل محدود (FD-BPM) است. این روش‌ها بسیار سریع‌تر هستند، اما مقداری از دقت را از دست می‌دهند و فقط می‌توانند انتشار موازی را مدیریت کنند و نمی‌توان از آنها برای شبیه‌سازی تشدیدکننده‌ها استفاده کرد، به عنوان مثال. سطح بعدی، شبیه‌سازی EM دوبعدی است، مانند FDTD دوبعدی و BPM دوبعدی. این‌ها نیز سریع‌تر هستند، اما عملکرد محدودی دارند، مثلاً نمی‌توانند چرخاننده‌های قطبش را شبیه‌سازی کنند. سطح بعدی، شبیه‌سازی ماتریس انتقال و/یا پراکندگی است. هر جزء اصلی به یک جزء با ورودی و خروجی کاهش می‌یابد و موجبر متصل به یک عنصر تغییر فاز و تضعیف کاهش می‌یابد. این شبیه‌سازی‌ها بسیار سریع هستند. سیگنال خروجی با ضرب ماتریس انتقال در سیگنال ورودی به دست می‌آید. ماتریس پراکندگی (که عناصر آن پارامترهای S نامیده می‌شوند) سیگنال‌های ورودی و خروجی را در یک طرف ضرب می‌کند تا سیگنال‌های ورودی و خروجی را در طرف دیگر جزء پیدا کند. اساساً، ماتریس پراکندگی شامل بازتاب درون عنصر است. ماتریس پراکندگی معمولاً در هر بعد دو برابر ماتریس انتقال است. به طور خلاصه، از شبیه‌سازی EM سه بعدی تا شبیه‌سازی ماتریس انتقال/پراکندگی، هر لایه از شبیه‌سازی، بده‌بستانی بین سرعت و دقت را نشان می‌دهد و طراحان سطح مناسب شبیه‌سازی را برای نیازهای خاص خود انتخاب می‌کنند تا فرآیند اعتبارسنجی طراحی را بهینه کنند.
با این حال، تکیه بر شبیه‌سازی الکترومغناطیسی عناصر خاص و استفاده از ماتریس پراکندگی/انتقال برای شبیه‌سازی کل PIC، طراحی کاملاً صحیح را در مقابل صفحه جریان تضمین نمی‌کند. به عنوان مثال، طول مسیر محاسبه نشده، موجبرهای چند حالته که نمی‌توانند به طور موثر حالت‌های مرتبه بالا را سرکوب کنند، یا دو موجبر که خیلی به یکدیگر نزدیک هستند و منجر به مشکلات کوپلینگ غیرمنتظره می‌شوند، احتمالاً در طول شبیه‌سازی شناسایی نمی‌شوند. بنابراین، اگرچه ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته قابلیت‌های قدرتمندی برای اعتبارسنجی طراحی ارائه می‌دهند، اما همچنان نیاز به درجه بالایی از هوشیاری و بازرسی دقیق توسط طراح، همراه با تجربه عملی و دانش فنی، برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان طراحی و کاهش خطر صفحه جریان است.
تکنیکی به نام FDTD پراکنده (sparse FDTD) امکان انجام شبیه‌سازی‌های FDTD سه‌بعدی و دوبعدی را مستقیماً بر روی یک طراحی کامل PIC برای اعتبارسنجی طراحی فراهم می‌کند. اگرچه شبیه‌سازی یک PIC در مقیاس بسیار بزرگ برای هر ابزار شبیه‌سازی الکترومغناطیسی دشوار است، FDTD پراکنده قادر به شبیه‌سازی یک ناحیه محلی نسبتاً بزرگ است. در FDTD سه‌بعدی سنتی، شبیه‌سازی با مقداردهی اولیه شش مؤلفه میدان الکترومغناطیسی در یک حجم کوانتیزه خاص آغاز می‌شود. با گذشت زمان، مؤلفه میدان جدید در حجم محاسبه می‌شود و به همین ترتیب ادامه می‌یابد. هر مرحله نیاز به محاسبات زیادی دارد، بنابراین زمان زیادی طول می‌کشد. در FDTD سه‌بعدی پراکنده، به جای محاسبه در هر مرحله در هر نقطه از حجم، فهرستی از مؤلفه‌های میدان حفظ می‌شود که از نظر تئوری می‌توانند با یک حجم دلخواه بزرگ مطابقت داشته باشند و فقط برای آن مؤلفه‌ها محاسبه شوند. در هر گام زمانی، نقاط مجاور مؤلفه‌های میدان اضافه می‌شوند، در حالی که مؤلفه‌های میدان زیر یک آستانه توان خاص حذف می‌شوند. برای برخی از ساختارها، این محاسبه می‌تواند چندین مرتبه بزرگتر از FDTD سه‌بعدی سنتی باشد. با این حال، FDTDS های پراکنده هنگام برخورد با ساختارهای پراکنده عملکرد خوبی ندارند زیرا این میدان زمانی بیش از حد گسترش می‌یابد و منجر به لیست‌هایی می‌شود که بسیار طولانی و مدیریت آنها دشوار است. شکل 1 نمونه‌ای از یک شبیه‌سازی FDTD سه‌بعدی مشابه یک تقسیم‌کننده پرتو قطبش (PBS) را نشان می‌دهد.
شکل 1: نتایج شبیه‌سازی از FDTD سه بعدی پراکنده. (الف) نمای بالایی از ساختار شبیه‌سازی شده است که یک کوپلر جهت‌دار است. (ب) تصویری از یک شبیه‌سازی با استفاده از تحریک شبه TE را نشان می‌دهد. دو نمودار بالا نمای بالایی سیگنال‌های شبه TE و شبه TM را نشان می‌دهند و دو نمودار زیر نمای سطح مقطع مربوطه را نشان می‌دهند. (ج) تصویری از یک شبیه‌سازی با استفاده از تحریک شبه TM را نشان می‌دهد.
زمان ارسال: ۲۳ ژوئیه ۲۰۲۴