Ֆոտոնային ինտեգրալային սխեմայի նախագծում

Դիզայնֆոտոնայինինտեգրալային սխեմա

Ֆոտոնային ինտեգրալային սխեմաներ(PIC)-ները հաճախ նախագծվում են մաթեմատիկական սկրիպտների օգնությամբ՝ ինտերֆերոմետրերում կամ այլ կիրառություններում, որոնք զգայուն են ուղու երկարության նկատմամբ, ճանապարհի երկարության կարևորության պատճառով։Նկարարտադրվում է վաֆլիի վրա բազմաթիվ շերտեր (սովորաբար 10-ից 30) նախշերով շարելով, որոնք կազմված են բազմաթիվ բազմանկյուն ձևերից, որոնք հաճախ ներկայացված են GDSII ձևաչափով: Ֆայլը ֆոտոդիմակի արտադրողին ուղարկելուց առաջ խիստ ցանկալի է կարողանալ մոդելավորել PIC-ը՝ դիզայնի ճշգրտությունը ստուգելու համար: Սիմուլյացիան բաժանված է մի քանի մակարդակների. ամենացածր մակարդակը եռաչափ էլեկտրամագնիսական (EM) մոդելավորումն է, որտեղ մոդելավորումն իրականացվում է ենթաալիքային երկարության մակարդակում, չնայած նյութում ատոմների միջև փոխազդեցությունները մշակվում են մակրոսկոպիկ մասշտաբով: Տիպիկ մեթոդները ներառում են եռաչափ վերջավոր տարբերությունների ժամանակային տիրույթ (3D FDTD) և սեփական ռեժիմի ընդլայնում (EME): Այս մեթոդները ամենաճշգրիտն են, բայց անիրագործելի են PIC մոդելավորման ամբողջ ժամանակի համար: Հաջորդ մակարդակը 2.5 չափսի EM մոդելավորումն է, ինչպիսին է վերջավոր տարբերությունների ճառագայթի տարածումը (FD-BPM): Այս մեթոդները շատ ավելի արագ են, բայց զոհաբերում են որոշակի ճշգրտություն և կարող են կարգավորել միայն պարաքսիալ տարածումը և չեն կարող օգտագործվել, օրինակ, ռեզոնատորների մոդելավորման համար: Հաջորդ մակարդակը 2D EM սիմուլյացիան է, ինչպիսիք են 2D FDTD-ն և 2D BPM-ը: Սրանք նույնպես ավելի արագ են, բայց ունեն սահմանափակ ֆունկցիոնալություն, օրինակ՝ չեն կարող սիմուլյացիա կատարել բևեռացման պտտող սարքերի համար: Հաջորդ մակարդակը փոխանցման և/կամ ցրման մատրիցի սիմուլյացիան է: Յուրաքանչյուր հիմնական բաղադրիչ կրճատվում է մինչև մուտքային և ելքային բաղադրիչ, իսկ միացված ալիքատարը կրճատվում է մինչև փուլային տեղաշարժի և թուլացման տարր: Այս սիմուլյացիաները չափազանց արագ են: Ելքային ազդանշանը ստացվում է փոխանցման մատրիցը մուտքային ազդանշանով բազմապատկելով: Ցրման մատրիցը (որի տարրերը կոչվում են S-պարամետրեր) բազմապատկում է մուտքային և ելքային ազդանշանները մի կողմում՝ բաղադրիչի մյուս կողմում մուտքային և ելքային ազդանշանները գտնելու համար: Հիմնականում, ցրման մատրիցը պարունակում է տարրի ներսում արտացոլումը: Ցրման մատրիցը սովորաբար յուրաքանչյուր չափման մեջ երկու անգամ մեծ է, քան փոխանցման մատրիցը: Ամփոփելով՝ 3D EM-ից մինչև փոխանցման/ցրման մատրիցի սիմուլյացիա, սիմուլյացիայի յուրաքանչյուր շերտ ներկայացնում է արագության և ճշգրտության միջև փոխզիջում, և նախագծողները ընտրում են իրենց կոնկրետ կարիքներին համապատասխանող սիմուլյացիայի ճիշտ մակարդակը՝ նախագծման վավերացման գործընթացը օպտիմալացնելու համար:

Այնուամենայնիվ, որոշակի տարրերի էլեկտրամագնիսական մոդելավորման վրա հույսը դնելը և ամբողջ PIC-ի մոդելավորման համար ցրման/փոխանցման մատրիցի օգտագործումը չի երաշխավորում հոսքի թիթեղի առջևի լիովին ճիշտ նախագծումը: Օրինակ, սխալ հաշվարկված ուղիների երկարությունները, բազմամոդ ալիքատարները, որոնք չեն կարողանում արդյունավետորեն ճնշել բարձր կարգի ռեժիմները, կամ երկու ալիքատարները, որոնք չափազանց մոտ են միմյանց, ինչը հանգեցնում է անսպասելի կապի խնդիրների, հավանաբար չեն հայտնաբերվի մոդելավորման ընթացքում: Հետևաբար, չնայած առաջադեմ մոդելավորման գործիքները ապահովում են նախագծի հզոր վավերացման հնարավորություններ, այն դեռևս պահանջում է նախագծողի կողմից բարձր աստիճանի զգոնություն և ուշադիր ստուգում՝ զուգորդված գործնական փորձի և տեխնիկական գիտելիքների հետ՝ նախագծի ճշգրտությունն ու հուսալիությունն ապահովելու և հոսքագծի ռիսկը նվազեցնելու համար:

Նոսր FDTD կոչվող տեխնիկան թույլ է տալիս եռաչափ և երկչափ FDTD մոդելավորումներ կատարել անմիջապես ամբողջական PIC նախագծի վրա՝ նախագծի վավերացման համար: Չնայած ցանկացած էլեկտրամագնիսական մոդելավորման գործիքի համար դժվար է մոդելավորել շատ մեծ մասշտաբի PIC, նոսր FDTD-ն կարող է մոդելավորել բավականին մեծ տեղային տարածք: Ավանդական եռաչափ FDTD-ում մոդելավորումը սկսվում է էլեկտրամագնիսական դաշտի վեց բաղադրիչների նախնականացմամբ որոշակի քվանտացված ծավալի ներսում: Ժամանակի ընթացքում հաշվարկվում է ծավալի նոր դաշտի բաղադրիչը և այլն: Յուրաքանչյուր քայլ պահանջում է մեծ հաշվարկներ, ուստի այն երկար ժամանակ է պահանջում: Նոսր եռաչափ FDTD-ում, ծավալի յուրաքանչյուր կետում յուրաքանչյուր քայլում հաշվարկելու փոխարեն, պահպանվում է դաշտի բաղադրիչների ցանկ, որը տեսականորեն կարող է համապատասխանել կամայականորեն մեծ ծավալի և հաշվարկվել միայն այդ բաղադրիչների համար: Յուրաքանչյուր ժամանակային քայլում ավելացվում են դաշտի բաղադրիչներին հարակից կետեր, մինչդեռ որոշակի հզորության շեմից ցածր դաշտի բաղադրիչները հանվում են: Որոշ կառուցվածքների համար այս հաշվարկը կարող է մի քանի կարգի մեծությամբ ավելի արագ լինել, քան ավանդական եռաչափ FDTD-ն: Սակայն, նոսր FDTDS-ները լավ չեն աշխատում դիսպերսիոն կառուցվածքների հետ գործ ունենալիս, քանի որ այս ժամանակային դաշտը չափազանց շատ է տարածվում, ինչի արդյունքում ցուցակները չափազանց երկար են և դժվար կառավարելի։ Նկար 1-ը ցույց է տալիս բևեռացման ճառագայթային բաժանիչի (PBS) նման եռաչափ FDTD սիմուլյացիայի օրինակելի էկրանանկար։

Նկար 1. Սիմուլյացիայի արդյունքները 3D նոսր FDTD-ից: (A) մոդելավորվող կառուցվածքի վերևից պատկերն է, որը ուղղորդված կապիչ է: (B) Ցուցադրվում է քվազի-TE գրգռման օգտագործմամբ մոդելավորման էկրանի նկարը: Վերևում գտնվող երկու դիագրամները ցույց են տալիս քվազի-TE և քվազի-TM ազդանշանների վերևից պատկերը, իսկ ստորև բերված երկու դիագրամները՝ համապատասխան լայնական կտրվածքի տեսքը: (C) Ցուցադրվում է քվազի-TM գրգռման օգտագործմամբ մոդելավորման էկրանի նկարը: