تصميم الدائرة المتكاملة الضوئية

تصميمضوئيدائرة متكاملة

الدوائر المتكاملة الضوئيةغالبًا ما يتم تصميم (PIC) بمساعدة البرامج النصية الرياضية بسبب أهمية طول المسار في مقاييس التداخل أو التطبيقات الأخرى التي تكون حساسة لطول المسار.صورةيتم تصنيعها عن طريق تحطيم طبقات متعددة (عادة من 10 إلى 30) على رقاقة ، والتي تتكون من العديد من الأشكال المضلعة ، غالبًا ما يتم تمثيلها بتنسيق GDSII. قبل إرسال الملف إلى الشركة المصنعة للضوء ، من المستحسن بشدة أن تكون قادرًا على محاكاة الموافقة المسبقة عن علم للتحقق من صحة التصميم. تنقسم المحاكاة إلى مستويات متعددة: أدنى مستوى هو المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد (EM) ، حيث يتم إجراء المحاكاة على مستوى الطول الموجي الفرعي ، على الرغم من أن التفاعلات بين الذرات في المادة تتم معالجتها على النطاق العياني. تشمل الطرق النموذجية المجال الزمني للمؤتمرات المحدودة ثلاثية الأبعاد (3D FDTD) وتوسع EigenMode (EME). هذه الطرق هي الأكثر دقة ، ولكنها غير عملية بالنسبة لمحاكاة الموافقة المسبقة عن علم بأكملها. المستوى التالي هو محاكاة EM 2.5 الأبعاد ، مثل انتشار شعاع الفرق المحدود (FD-BPM). هذه الطرق أسرع بكثير ، ولكنها تضحي ببعض الدقة ويمكنها فقط التعامل مع الانتشار البارزي ولا يمكن استخدامها لمحاكاة الرنانات ، على سبيل المثال. المستوى التالي هو محاكاة 2D EM ، مثل 2D FDTD و 2D BPM. هذه أيضا أسرع ، ولكن لها وظائف محدودة ، مثل أنها لا يمكن محاكاة الدوارات الاستقطاب. مستوى آخر هو انتقال و/أو مبعث المصفوفة محاكاة. يتم تقليل كل مكون رئيسي إلى مكون مع الإدخال والمخرجات ، ويتم تقليل الدليل الموجي المتصاعد إلى عنصر تحول المرحلة وعنصر التوهين. هذه المحاكاة سريعة للغاية. يتم الحصول على إشارة الخرج عن طريق ضرب مصفوفة الإرسال بواسطة إشارة الدخل. تضاعف مصفوفة الانتثار (التي تسمى عناصرها S-parameters) إشارات الإدخال والإخراج على جانب واحد للعثور على إشارات الإدخال والإخراج على الجانب الآخر من المكون. في الأساس ، تحتوي مصفوفة الانتثار على الانعكاس داخل العنصر. عادة ما تكون مصفوفة الانتثار ضعف حجم مصفوفة الإرسال في كل بعد. باختصار ، من 3D EM إلى محاكاة المصفوفة النقل/الانتثار ، تقدم كل طبقة من المحاكاة مفاضلة بين السرعة والدقة ، ويختار المصممون المستوى الصحيح للمحاكاة لاحتياجاتهم الخاصة لتحسين عملية التحقق من صحة التصميم.

ومع ذلك ، فإن الاعتماد على المحاكاة الكهرومغناطيسية لعناصر معينة واستخدام مصفوفة الانتثار/النقل لمحاكاة الموافقة المسبقة عن علم بأكملها لا يضمن تصميمًا صحيحًا تمامًا أمام لوحة التدفق. على سبيل المثال ، أطوال المسار غير المقاسة ، أدلة الموجات متعددة الأدوار التي تفشل في قمع أوضاع عالية الترتيب بشكل فعال ، أو أدلة موجية قريبة جدًا من بعضها البعض مما يؤدي إلى مشاكل اقتران غير متوقعة من المحتمل أن يتم اكتشافها أثناء المحاكاة. لذلك ، على الرغم من أن أدوات المحاكاة المتقدمة توفر إمكانات قوية للتحقق من تصميم التصميم ، إلا أنها لا تزال تتطلب درجة عالية من اليقظة والتفتيش الدقيق من قبل المصمم ، إلى جانب الخبرة العملية والمعرفة التقنية ، لضمان دقة وموثوقية التصميم وتقليل مخاطر ورقة التدفق.

تتيح تقنية تسمى FDTD المتفجرة إجراء عمليات محاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد و 2D مباشرة على تصميم الموافقة المسبقة عن علم كاملة للتحقق من صحة التصميم. على الرغم من أنه من الصعب على أي أداة محاكاة كهرومغناطيسية لمحاكاة الموافقة المسبقة عن علم على نطاق واسع للغاية ، فإن FDTD المتفرقة قادر على محاكاة منطقة محلية كبيرة إلى حد ما. في FDTD ثلاثية الأبعاد التقليدية ، تبدأ المحاكاة بتوضيح المكونات الستة للحقل الكهرومغناطيسي داخل حجم كمي محدد. مع تقدم الوقت ، يتم حساب مكون الحقل الجديد في مستوى الصوت ، وهلم جرا. كل خطوة تتطلب الكثير من الحساب ، لذلك يستغرق وقتا طويلا. في FDTD ثلاثي الأبعاد متناثر ، بدلاً من الحساب في كل خطوة في كل نقطة من مستوى الصوت ، يتم الحفاظ على قائمة مكونات الحقل التي يمكن أن تتوافق نظريًا مع حجم كبير بشكل تعسفي ويتم حسابه فقط لتلك المكونات. في كل خطوة زمنية ، تتم إضافة النقاط المجاورة للمكونات الميدانية ، في حين يتم إسقاط مكونات الحقل تحت عتبة طاقة معينة. بالنسبة لبعض الهياكل ، يمكن أن يكون هذا الحساب عدة أوامر ذات حجم أسرع من FDTD ثلاثي الأبعاد التقليدي. ومع ذلك ، فإن FDTDs المتفرقة لا تعمل بشكل جيد عند التعامل مع الهياكل المشتتة لأن هذا الوقت ينتشر أكثر من اللازم ، مما يؤدي إلى قوائم طويلة جدًا ويصعب إدارتها. يوضح الشكل 1 صورة مثال لمحاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد مماثلة لخليط شعاع الاستقطاب (PBS).

الشكل 1: نتائج المحاكاة من FDTD 3D المتفرق. (أ) هو عرض أعلى للهيكل الذي يتم محاكاة ، وهو مقرنة اتجاهية. (ب) يعرض لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام الإثارة شبه. يوضح الرسمان المذكوران أعلاه العرض العلوي لإشارات quasi-te و quasi-TM ، ويوضح الرسمان أدناه العرض المستعرض المقابل. (ج) يوضح لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام الإثارة شبه TM.