تصميم الدوائر المتكاملة الضوئية

تصميمالضوئيةدائرة متكاملة

الدوائر المتكاملة الضوئيةغالبًا ما يتم تصميم (PIC) بمساعدة النصوص الرياضية نظرًا لأهمية طول المسار في مقاييس التداخل أو التطبيقات الأخرى الحساسة لطول المسار.صورةيتم تصنيعها عن طريق نقش طبقات متعددة (عادة من 10 إلى 30) على الرقاقة، والتي تتكون من العديد من الأشكال المضلعة، والتي غالبًا ما يتم تمثيلها بتنسيق GDSII. قبل إرسال الملف إلى الشركة المصنعة للقناع الضوئي، من المستحسن بشدة أن تكون قادراً على محاكاة الموافقة المسبقة عن علم للتحقق من صحة التصميم. تنقسم المحاكاة إلى مستويات متعددة: المستوى الأدنى هو المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد (EM)، حيث يتم إجراء المحاكاة على مستوى الطول الموجي الفرعي، على الرغم من أن التفاعلات بين الذرات في المادة يتم التعامل معها على المستوى العياني. تتضمن الطرق النموذجية المجال الزمني ثلاثي الأبعاد للفرق المحدود (3D FDTD) وتوسيع الوضع الذاتي (EME). هذه الطرق هي الأكثر دقة، ولكنها غير عملية لكامل وقت محاكاة الموافقة المسبقة عن علم. المستوى التالي هو محاكاة EM ذات 2.5 بعد، مثل انتشار شعاع الفرق المحدود (FD-BPM). هذه الطرق أسرع بكثير، ولكنها تضحي ببعض الدقة ويمكنها فقط التعامل مع الانتشار المحوري ولا يمكن استخدامها لمحاكاة الرنانات، على سبيل المثال. المستوى التالي هو محاكاة EM ثنائية الأبعاد، مثل 2D FDTD و2D BPM. وهي أيضًا أسرع، لكن وظائفها محدودة، حيث لا يمكنها محاكاة دوارات الاستقطاب. والمستوى الآخر هو محاكاة مصفوفة الإرسال و/أو الانتثار. يتم تقليل كل مكون رئيسي إلى مكون ذو مدخلات ومخرجات، ويتم تقليل الدليل الموجي المتصل إلى مرحلة التحول وعنصر التوهين. هذه المحاكاة سريعة للغاية. يتم الحصول على إشارة الخرج عن طريق ضرب مصفوفة الإرسال بإشارة الدخل. تقوم مصفوفة التشتت (التي تسمى عناصرها بمعلمات S) بضرب إشارات الإدخال والإخراج على جانب واحد للعثور على إشارات الإدخال والإخراج على الجانب الآخر من المكون. في الأساس، تحتوي مصفوفة التشتت على الانعكاس داخل العنصر. عادةً ما يكون حجم مصفوفة التشتت ضعف حجم مصفوفة الإرسال في كل بُعد. باختصار، من 3D EM إلى محاكاة مصفوفة الإرسال/التشتت، تقدم كل طبقة من المحاكاة مقايضة بين السرعة والدقة، ويختار المصممون المستوى المناسب من المحاكاة لاحتياجاتهم الخاصة لتحسين عملية التحقق من صحة التصميم.

ومع ذلك، فإن الاعتماد على المحاكاة الكهرومغناطيسية لعناصر معينة واستخدام مصفوفة التشتت/النقل لمحاكاة الموافقة المسبقة عن علم بأكملها لا يضمن التصميم الصحيح تمامًا أمام لوحة التدفق. على سبيل المثال، أطوال المسار المحسوبة بشكل خاطئ، أو أدلة الموجات متعددة الأوضاع التي تفشل في قمع أوضاع الترتيب العالي بشكل فعال، أو دليلين موجيين قريبين جدًا من بعضهما البعض مما يؤدي إلى مشاكل اقتران غير متوقعة من المرجح أن لا يتم اكتشافها أثناء المحاكاة. لذلك، على الرغم من أن أدوات المحاكاة المتقدمة توفر إمكانات قوية للتحقق من صحة التصميم، إلا أنها لا تزال تتطلب درجة عالية من اليقظة والفحص الدقيق من قبل المصمم، بالإضافة إلى الخبرة العملية والمعرفة التقنية، لضمان دقة وموثوقية التصميم وتقليل مخاطر المخاطر. ورقة التدفق.

تسمح تقنية تسمى FDTD المتناثر بإجراء عمليات محاكاة FDTD ثلاثية وثنائية الأبعاد مباشرة على تصميم الموافقة المسبقة عن علم الكامل للتحقق من صحة التصميم. على الرغم من أنه من الصعب على أي أداة محاكاة كهرومغناطيسية محاكاة الموافقة المسبقة عن علم على نطاق واسع جدًا، فإن FDTD المتناثر قادر على محاكاة منطقة محلية كبيرة إلى حد ما. في FDTD ثلاثي الأبعاد التقليدي، تبدأ المحاكاة بتهيئة المكونات الستة للمجال الكهرومغناطيسي ضمن حجم مكمّم محدد. ومع مرور الوقت، يتم حساب مكون الحقل الجديد في وحدة التخزين، وهكذا. تتطلب كل خطوة الكثير من الحسابات، لذلك تستغرق وقتًا طويلاً. في FDTD ثلاثي الأبعاد المتفرق، بدلاً من الحساب في كل خطوة عند كل نقطة من الحجم، يتم الاحتفاظ بقائمة مكونات الحقل التي يمكن أن تتوافق نظريًا مع حجم كبير بشكل تعسفي ويتم حسابها فقط لتلك المكونات. في كل خطوة زمنية، تتم إضافة النقاط المجاورة لمكونات الحقل، بينما يتم إسقاط مكونات الحقل الموجودة تحت عتبة طاقة معينة. بالنسبة لبعض الهياكل، يمكن أن يكون هذا الحساب أسرع بعدة أوامر من FDTD ثلاثي الأبعاد التقليدي. ومع ذلك، فإن FDTDS المتفرق لا يعمل بشكل جيد عند التعامل مع الهياكل المشتتة لأن هذا الحقل الزمني ينتشر كثيرًا، مما يؤدي إلى قوائم طويلة جدًا وتصعب إدارتها. يوضح الشكل 1 لقطة شاشة مثال لمحاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد مشابهة لمقسم شعاع الاستقطاب (PBS).

الشكل 1: نتائج المحاكاة من FDTD ثلاثي الأبعاد. (أ) هو منظر علوي للهيكل الذي يتم محاكاته، وهو مقرنة اتجاهية. (ب) يعرض لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام الإثارة شبه TE. يُظهر الرسمان البيانيان أعلاه العرض العلوي للإشارات شبه TE وشبه TM، ويُظهر الرسمان البيانيان أدناه العرض المقطعي المقابل. (C) يعرض لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام الإثارة شبه TM.