Ֆոտոնային ինտեգրալ շղթայի նախագծում

Դիզայնըֆոտոնիկինտեգրալ միացում

Ֆոտոնային ինտեգրալ սխեմաներ(PIC) հաճախ նախագծված են մաթեմատիկական սկրիպտների օգնությամբ՝ ինտերֆերոմետրերում կամ այլ հավելվածներում, որոնք զգայուն են երթուղու երկարության նկատմամբ ուղու երկարության կարևորության պատճառով:PICարտադրվում է վաֆլի վրա մի քանի շերտեր (սովորաբար 10-ից 30-ը) ձևավորելու միջոցով, որոնք կազմված են բազմաթիվ բազմանկյուն ձևերից, որոնք հաճախ ներկայացված են GDSII ձևաչափով: Նախքան ֆայլը լուսանկարչական դիմակ արտադրողին ուղարկելը, ցանկալի է, որ կարողանանք մոդելավորել PIC-ը՝ դիզայնի ճիշտությունը ստուգելու համար: Մոդելավորումը բաժանված է մի քանի մակարդակների. ամենացածր մակարդակը եռաչափ էլեկտրամագնիսական (EM) մոդելավորումն է, որտեղ սիմուլյացիան իրականացվում է ենթաալիքի երկարության մակարդակով, թեև նյութի ատոմների փոխազդեցությունները մակրոսկոպիկ մասշտաբով են մշակվում: Տիպիկ մեթոդները ներառում են եռաչափ վերջավոր տարբերությամբ ժամանակի տիրույթը (3D FDTD) և սեփական ռեժիմի ընդլայնումը (EME): Այս մեթոդները ամենաճշգրիտն են, բայց անիրագործելի են PIC մոդելավորման ողջ ժամանակի համար: Հաջորդ մակարդակը 2,5-չափ EM մոդելավորումն է, ինչպիսին է վերջավոր տարբերությամբ ճառագայթների 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 մոդելավորումն է, ինչպիսիք են 2D FDTD և 2D BPM: Սրանք նույնպես ավելի արագ են, բայց ունեն սահմանափակ ֆունկցիոնալություն, օրինակ՝ չեն կարող նմանակել բևեռացման պտույտները: Հետագա մակարդակը փոխանցման և/կամ ցրման մատրիցայի մոդելավորումն է: Յուրաքանչյուր հիմնական բաղադրիչ վերածվում է մուտքային և ելքային բաղադրիչի, իսկ միացված ալիքատարը կրճատվում է մինչև փուլային հերթափոխի և թուլացման տարր: Այս սիմուլյացիան չափազանց արագ է: Ելքային ազդանշանը ստացվում է փոխանցման մատրիցը մուտքային ազդանշանով բազմապատկելով: Ցրման մատրիցը (որի տարրերը կոչվում են S-պարամետրեր) բազմապատկում է մուտքային և ելքային ազդանշանները մի կողմից՝ բաղադրիչի մյուս կողմում մուտքային և ելքային ազդանշանները գտնելու համար։ Հիմնականում ցրման մատրիցը պարունակում է արտացոլումը տարրի ներսում: Ցրման մատրիցը սովորաբար երկու անգամ ավելի մեծ է, քան փոխանցման մատրիցը յուրաքանչյուր հարթության մեջ: Ամփոփելով, 3D EM-ից մինչև փոխանցման/ցրման մատրիցային մոդելավորում, սիմուլյացիայի յուրաքանչյուր շերտ ներկայացնում է փոխզիջում արագության և ճշգրտության միջև, և դիզայներներն ընտրում են մոդելավորման ճիշտ մակարդակը իրենց հատուկ կարիքների համար՝ դիզայնի վավերացման գործընթացը օպտիմալացնելու համար:

Այնուամենայնիվ, որոշակի տարրերի էլեկտրամագնիսական մոդելավորման վրա հիմնվելը և ամբողջ PIC-ը մոդելավորելու համար ցրման/փոխանցման մատրիցայի օգտագործումը չի երաշխավորում հոսքի ափսեի առջև լիովին ճիշտ ձևավորում: Օրինակ, սխալ հաշվարկված ուղիների երկարությունները, բազմամոդալ ալիքատարները, որոնք չեն կարողանում արդյունավետ կերպով ճնշել բարձր կարգի ռեժիմները, կամ երկու ալիքատարներ, որոնք շատ մոտ են միմյանց, ինչը հանգեցնում է միացման անսպասելի խնդիրների, ամենայն հավանականությամբ, սիմուլյացիայի ընթացքում աննկատ կմնան: Հետևաբար, թեև մոդելավորման առաջադեմ գործիքներն ապահովում են դիզայնի վավերացման հզոր հնարավորություններ, այն դեռևս պահանջում է դիզայների կողմից զգոնության բարձր աստիճան և մանրակրկիտ ստուգում` զուգորդված գործնական փորձի և տեխնիկական գիտելիքների հետ` ապահովելու նախագծման ճշգրտությունն ու հուսալիությունը և նվազեցնելու ռիսկը: հոսքի թերթիկ.

Sparse FDTD կոչվող տեխնիկան թույլ է տալիս 3D և 2D FDTD սիմուլյացիաներ կատարել ուղղակիորեն ամբողջական PIC դիզայնի վրա՝ դիզայնը վավերացնելու համար: Թեև էլեկտրամագնիսական մոդելավորման ցանկացած գործիքի համար դժվար է նմանակել շատ մեծ մասշտաբի PIC, նոսր FDTD-ն ի վիճակի է նմանակել բավականին մեծ տեղական տարածք: Ավանդական 3D FDTD-ում սիմուլյացիան սկսվում է էլեկտրամագնիսական դաշտի վեց բաղադրիչների սկզբնավորումից որոշակի քվանտացված ծավալի մեջ: Ժամանակի ընթացքում հաշվարկվում է ծավալի նոր դաշտի բաղադրիչը և այլն: Յուրաքանչյուր քայլ պահանջում է մեծ հաշվարկ, ուստի այն երկար ժամանակ է պահանջում: Հազվագյուտ 3D FDTD-ում, ծավալի յուրաքանչյուր կետում յուրաքանչյուր քայլում հաշվարկելու փոխարեն, պահպանվում է դաշտի բաղադրիչների ցանկը, որը տեսականորեն կարող է համապատասխանել կամայականորեն մեծ ծավալի և հաշվարկվել միայն այդ բաղադրիչների համար: Յուրաքանչյուր ժամանակային քայլում դաշտի բաղադրիչներին հարող կետերը ավելացվում են, մինչդեռ որոշակի հզորության շեմից ցածր դաշտային բաղադրիչները հանվում են: Որոշ կառույցների համար այս հաշվարկը կարող է լինել մի քանի կարգով ավելի արագ, քան ավանդական 3D FDTD-ն: Այնուամենայնիվ, նոսր FDTDS-ները լավ չեն գործում ցրված կառույցների հետ գործ ունենալիս, քանի որ այս ժամանակային դաշտը չափազանց շատ է տարածվում, ինչի արդյունքում ցուցակները չափազանց երկար են և դժվար է կառավարել: Նկար 1-ը ցույց է տալիս 3D FDTD սիմուլյացիայի օրինակի սքրինշոթ, որը նման է բևեռացման ճառագայթների բաժանարարին (PBS):

Նկար 1. Մոդելավորման արդյունքներ 3D նոսր FDTD-ից: (A) մոդելավորվող կառույցի վերին տեսքն է, որը ուղղորդող կցորդիչ է: (B) Ցույց է տալիս սիմուլյացիայի սքրինշոթը՝ օգտագործելով քվազի-TE գրգռումը: Վերևի երկու դիագրամները ցույց են տալիս քվազի-TE և քվազի-TM ազդանշանների վերին տեսքը, իսկ ստորև ներկայացված երկու դիագրամները ցույց են տալիս համապատասխան խաչմերուկի տեսքը: (C) Ցույց է տալիս սիմուլյացիայի սքրինշոթը՝ օգտագործելով քվազի-TM գրգռումը: