फोटोनिक इंटिग्रेटेड सर्किटची रचना

चे डिझाइनफोटोनिकएकात्मिक सर्किट

फोटोनिक इंटिग्रेटेड सर्किट्सइंटरफेरोमीटर किंवा पथ लांबीसाठी संवेदनशील असलेल्या इतर अनुप्रयोगांमध्ये पथ लांबीचे महत्त्व असल्यामुळे (PIC) बहुतेक वेळा गणिती लिपींच्या मदतीने डिझाइन केले जाते.PICएका वेफरवर अनेक स्तरांवर (सामान्यत: 10 ते 30) पॅटरिंग करून तयार केले जाते, जे अनेक बहुभुज आकारांनी बनलेले असते, जे सहसा GDSII स्वरूपात प्रस्तुत केले जाते. फोटोमास्क निर्मात्याकडे फाइल पाठवण्यापूर्वी, डिझाइनची शुद्धता सत्यापित करण्यासाठी PIC चे अनुकरण करण्यास सक्षम असणे जोरदार इष्ट आहे. सिम्युलेशन अनेक स्तरांमध्ये विभागले गेले आहे: सर्वात कमी स्तर त्रि-आयामी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक (EM) सिम्युलेशन आहे, जेथे सिम्युलेशन उप-तरंगलांबी स्तरावर केले जाते, जरी सामग्रीमधील अणूंमधील परस्परसंवाद मॅक्रोस्कोपिक स्केलवर हाताळले जातात. ठराविक पद्धतींमध्ये त्रि-आयामी मर्यादित-अंतर वेळ-डोमेन (3D FDTD) आणि eigenmode expansion (EME) यांचा समावेश होतो. या पद्धती सर्वात अचूक आहेत, परंतु संपूर्ण PIC सिम्युलेशन वेळेसाठी अव्यवहार्य आहेत. पुढील स्तर 2.5-आयामी EM सिम्युलेशन आहे, जसे की फिनाइट-डिफरन्स बीम प्रपोगेशन (FD-BPM). या पद्धती खूप वेगवान आहेत, परंतु काही अचूकतेचा त्याग करतात आणि केवळ पॅराक्सियल प्रसार हाताळू शकतात आणि उदाहरणार्थ, रेझोनेटर्सचे अनुकरण करण्यासाठी वापरल्या जाऊ शकत नाहीत. पुढील स्तर 2D EM सिम्युलेशन आहे, जसे की 2D FDTD आणि 2D BPM. हे देखील वेगवान आहेत, परंतु त्यांची कार्यक्षमता मर्यादित आहे, जसे की ते ध्रुवीकरण रोटेटर्सचे अनुकरण करू शकत नाहीत. पुढील स्तर म्हणजे ट्रान्समिशन आणि/किंवा स्कॅटरिंग मॅट्रिक्स सिम्युलेशन. प्रत्येक प्रमुख घटक इनपुट आणि आउटपुटसह एका घटकात कमी केला जातो आणि कनेक्ट केलेले वेव्हगाइड फेज शिफ्ट आणि क्षीणन घटकापर्यंत कमी केले जाते. हे सिम्युलेशन अत्यंत वेगवान आहेत. इनपुट सिग्नलद्वारे ट्रान्समिशन मॅट्रिक्स गुणाकार करून आउटपुट सिग्नल प्राप्त केला जातो. स्कॅटरिंग मॅट्रिक्स (ज्यांच्या घटकांना S-पॅरामीटर्स म्हणतात) एका बाजूला इनपुट आणि आउटपुट सिग्नलला गुणाकार करून घटकाच्या दुसऱ्या बाजूला इनपुट आणि आउटपुट सिग्नल शोधतात. मूलभूतपणे, स्कॅटरिंग मॅट्रिक्समध्ये घटकाच्या आत प्रतिबिंब असते. स्कॅटरिंग मॅट्रिक्स सामान्यतः प्रत्येक परिमाणातील ट्रान्समिशन मॅट्रिक्सपेक्षा दुप्पट मोठे असते. सारांश, 3D EM पासून ट्रान्समिशन/स्कॅटरिंग मॅट्रिक्स सिम्युलेशन पर्यंत, सिम्युलेशनचा प्रत्येक स्तर वेग आणि अचूकता यांच्यात एक ट्रेड-ऑफ सादर करतो आणि डिझायनर डिझाईन प्रमाणीकरण प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी त्यांच्या विशिष्ट गरजांसाठी सिम्युलेशनची योग्य पातळी निवडतात.

तथापि, विशिष्ट घटकांच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिम्युलेशनवर अवलंबून राहणे आणि संपूर्ण PIC चे अनुकरण करण्यासाठी स्कॅटरिंग/ट्रान्सफर मॅट्रिक्स वापरणे, फ्लो प्लेटच्या समोर पूर्णपणे योग्य डिझाइनची हमी देत ​​नाही. उदाहरणार्थ, चुकीच्या मार्गाची लांबी, मल्टीमोड वेव्हगाइड्स जे उच्च-ऑर्डर मोड प्रभावीपणे दाबण्यात अयशस्वी होतात किंवा दोन वेव्हगाइड्स जे एकमेकांच्या खूप जवळ असतात ज्यामुळे अनपेक्षित कपलिंग समस्या उद्भवतात सिम्युलेशन दरम्यान अनपेक्षित जाण्याची शक्यता असते. म्हणूनच, जरी प्रगत सिम्युलेशन साधने शक्तिशाली डिझाइन प्रमाणीकरण क्षमता प्रदान करतात, तरीही डिझाइनरची उच्च दक्षता आणि काळजीपूर्वक तपासणी आवश्यक आहे, व्यावहारिक अनुभव आणि तांत्रिक ज्ञानासह, डिझाइनची अचूकता आणि विश्वासार्हता सुनिश्चित करण्यासाठी आणि जोखीम कमी करण्यासाठी. प्रवाह पत्रक.

विरळ FDTD नावाचे तंत्र 3D आणि 2D FDTD सिम्युलेशन पूर्ण PIC डिझाईनवर डिझाईन प्रमाणित करण्यासाठी थेट करता येते. कोणत्याही इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिम्युलेशन टूलसाठी खूप मोठ्या प्रमाणात PIC चे अनुकरण करणे कठीण असले तरी, विरळ FDTD बऱ्यापैकी मोठ्या स्थानिक क्षेत्राचे अनुकरण करण्यास सक्षम आहे. पारंपारिक 3D FDTD मध्ये, सिम्युलेशनची सुरुवात इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्डचे सहा घटक एका विशिष्ट परिमाणित व्हॉल्यूममध्ये सुरू करून होते. जसजसा वेळ पुढे जाईल, व्हॉल्यूममधील नवीन फील्ड घटकाची गणना केली जाते, आणि असेच. प्रत्येक पायरीसाठी खूप गणना आवश्यक आहे, म्हणून यास बराच वेळ लागतो. विरळ 3D FDTD मध्ये, व्हॉल्यूमच्या प्रत्येक बिंदूवर प्रत्येक टप्प्यावर गणना करण्याऐवजी, फील्ड घटकांची सूची ठेवली जाते जी सैद्धांतिकदृष्ट्या अनियंत्रितपणे मोठ्या व्हॉल्यूमशी संबंधित असू शकते आणि केवळ त्या घटकांसाठी गणना केली जाऊ शकते. प्रत्येक टप्प्यावर, फील्ड घटकांना लागून असलेले बिंदू जोडले जातात, तर विशिष्ट पॉवर थ्रेशोल्डच्या खाली असलेले फील्ड घटक सोडले जातात. काही स्ट्रक्चर्ससाठी, ही गणना पारंपारिक 3D FDTD पेक्षा वेगवान आकाराचे अनेक ऑर्डर असू शकते. तथापि, विरळ FDTDS विखुरलेल्या रचनांशी व्यवहार करताना चांगली कामगिरी करत नाहीत कारण यावेळी फील्ड खूप पसरते, परिणामी सूची खूप लांब आणि व्यवस्थापित करणे कठीण आहे. आकृती 1 ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (PBS) प्रमाणेच 3D FDTD सिम्युलेशनचे उदाहरण स्क्रीनशॉट दाखवते.

आकृती 1: 3D स्पार्स FDTD मधून सिम्युलेशन परिणाम. (A) हे सिम्युलेट केलेल्या संरचनेचे शीर्ष दृश्य आहे, जे दिशात्मक युग्मक आहे. (B) अर्ध-TE उत्तेजना वापरून सिम्युलेशनचा स्क्रीनशॉट दाखवतो. वरील दोन आकृत्या अर्ध-टीई आणि अर्ध-टीएम सिग्नलचे शीर्ष दृश्य दर्शवतात आणि खालील दोन आकृत्या संबंधित क्रॉस-सेक्शनल दृश्य दर्शवतात. (C) अर्ध-TM उत्तेजना वापरून सिम्युलेशनचा स्क्रीनशॉट दाखवतो.