طراحی مدار مجتمع فوتونیک

طراحی ازفوتونیکمدار مجتمع

مدارهای مجتمع فوتونیک(PIC) به دلیل اهمیت طول مسیر در تداخل سنج ها یا سایر کاربردهایی که به طول مسیر حساس هستند، اغلب با کمک اسکریپت های ریاضی طراحی می شوند.PICبا الگودهی چندین لایه (معمولاً 10 تا 30) روی یک ویفر ساخته می شود که از اشکال چند ضلعی بسیاری تشکیل شده است که اغلب در قالب GDSII نشان داده می شود. قبل از ارسال فایل به سازنده ماسک عکس، بسیار مطلوب است که بتوانید PIC را شبیه سازی کنید تا صحت طرح را تأیید کنید. شبیه‌سازی به سطوح چندگانه 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 معمولی عبارتند از: دامنه زمانی با تفاضل محدود سه بعدی (3D FDTD) و گسترش حالت ویژه (EME). این روش ها دقیق ترین هستند، اما برای کل زمان شبیه سازی PIC غیر عملی هستند. سطح بعدی شبیه سازی EM 2.5 بعدی است، مانند انتشار پرتو با تفاضل محدود (FD-BPM). این روش‌ها بسیار سریع‌تر هستند، اما برخی از دقت‌ها را قربانی می‌کنند و فقط می‌توانند انتشار پاراکسیال را مدیریت کنند و برای مثال برای شبیه‌سازی رزوناتورها نمی‌توان از آنها استفاده کرد. سطح بعدی شبیه سازی 2 بعدی EM است، مانند 2D FDTD و 2D BPM. اینها همچنین سریعتر هستند، اما عملکرد محدودی دارند، به عنوان مثال نمی توانند چرخاننده قطبش را شبیه سازی کنند. سطح دیگری شبیه سازی ماتریس انتقال و/یا پراکندگی است. هر جزء اصلی به یک جزء با ورودی و خروجی کاهش می یابد و موجبر متصل به یک تغییر فاز و عنصر تضعیف کاهش می یابد. این شبیه سازی ها بسیار سریع هستند. سیگنال خروجی با ضرب ماتریس انتقال در سیگنال ورودی به دست می آید. ماتریس پراکندگی (که عناصر آن پارامترهای S نامیده می شوند) سیگنال های ورودی و خروجی را در یک طرف ضرب می کند تا سیگنال های ورودی و خروجی را در طرف دیگر جزء پیدا کند. اساساً ماتریس پراکندگی شامل بازتاب درون عنصر است. ماتریس پراکندگی معمولاً دو برابر ماتریس انتقال در هر بعد است. به طور خلاصه، از EM سه بعدی گرفته تا شبیه‌سازی ماتریس انتقال/پراکندگی، هر لایه از شبیه‌سازی تعادلی بین سرعت و دقت ارائه می‌دهد و طراحان برای بهینه‌سازی فرآیند اعتبارسنجی طراحی، سطح مناسبی از شبیه‌سازی را برای نیازهای خاص خود انتخاب می‌کنند.

با این حال، تکیه بر شبیه‌سازی الکترومغناطیسی عناصر خاص و استفاده از یک ماتریس پراکندگی/انتقال برای شبیه‌سازی کل PIC، طراحی کاملاً صحیح را در مقابل صفحه جریان تضمین نمی‌کند. به عنوان مثال، طول مسیر اشتباه محاسبه شده، موجبرهای چند حالته که نمی توانند به طور موثر حالت های مرتبه بالا را سرکوب کنند، یا دو موجبر که خیلی نزدیک به یکدیگر هستند و منجر به مشکلات جفت غیرمنتظره می شوند، احتمالاً در طول شبیه سازی شناسایی نمی شوند. بنابراین، اگرچه ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته قابلیت‌های اعتبارسنجی طراحی قدرتمندی را ارائه می‌دهند، اما همچنان مستلزم هوشیاری بالا و بازرسی دقیق توسط طراح، همراه با تجربه عملی و دانش فنی، برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان طراحی و کاهش ریسک است. ورق جریان.

تکنیکی به نام Sparse FDTD اجازه می‌دهد شبیه‌سازی‌های 3D و 2D FDTD به‌طور مستقیم بر روی یک طرح PIC کامل برای اعتبارسنجی طراحی انجام شود. اگرچه برای هر ابزار شبیه سازی الکترومغناطیسی شبیه سازی یک PIC در مقیاس بسیار بزرگ دشوار است، FDTD پراکنده قادر به شبیه سازی یک منطقه محلی نسبتاً بزرگ است. در FDTD سه بعدی سنتی، شبیه سازی با مقداردهی اولیه شش جزء میدان الکترومغناطیسی در یک حجم کوانتیزه شده خاص آغاز می شود. با گذشت زمان، مولفه میدان جدید در حجم محاسبه می شود و غیره. هر مرحله نیاز به محاسبه زیادی دارد، بنابراین زمان زیادی می برد. در FDTD سه بعدی پراکنده، به جای محاسبه در هر مرحله در هر نقطه از حجم، فهرستی از اجزای میدان نگهداری می‌شود که از نظر تئوری می‌تواند با حجم زیاد دلخواه مطابقت داشته باشد و فقط برای آن اجزا محاسبه شود. در هر مرحله زمانی، نقاط مجاور مؤلفه‌های میدان اضافه می‌شوند، در حالی که مؤلفه‌های میدان زیر یک آستانه توان مشخص حذف می‌شوند. برای برخی از ساختارها، این محاسبه می تواند چندین مرتبه سریعتر از FDTD سه بعدی سنتی باشد. با این حال، FDTDS پراکنده هنگام برخورد با ساختارهای پراکنده عملکرد خوبی ندارند، زیرا این میدان زمانی بیش از حد گسترش می‌یابد، و در نتیجه فهرست‌هایی بسیار طولانی و مدیریت آن دشوار است. شکل 1 نمونه ای از یک شبیه سازی 3 بعدی FDTD شبیه به یک تقسیم کننده پرتو قطبی (PBS) را نشان می دهد.

شکل 1: نتایج شبیه سازی از FDTD پراکنده سه بعدی. (A) نمای بالایی از سازه در حال شبیه سازی است که یک جفت کننده جهت دار است. (B) تصویری از یک شبیه سازی را با استفاده از تحریک شبه TE نشان می دهد. دو نمودار بالا نمای بالای سیگنال های شبه TE و شبه TM و دو نمودار زیر نمای مقطعی مربوطه را نشان می دهند. (C) تصویری از یک شبیه سازی را با استفاده از تحریک شبه TM نشان می دهد.