تصميم الدوائر المتكاملة الضوئية

تصميمالفوتونياتالدائرة المتكاملة

الدوائر المتكاملة الضوئيةغالبًا ما يتم تصميم الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC) بمساعدة البرامج النصية الرياضية نظرًا لأهمية طول المسار في أجهزة قياس التداخل أو التطبيقات الأخرى الحساسة لطول المسار.صورةتُصنع هذه التقنية عن طريق نقش طبقات متعددة (عادةً من 10 إلى 30 طبقة) على رقاقة، تتكون من أشكال مضلعة عديدة، وغالبًا ما تُمثل بصيغة GDSII. قبل إرسال الملف إلى مُصنِّع قناع الطباعة الضوئية، يُفضَّل بشدة محاكاة الدائرة المتكاملة الضوئية للتحقق من صحة التصميم. تُقسَّم المحاكاة إلى مستويات متعددة: المستوى الأدنى هو المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد، حيث تُجرى المحاكاة على مستوى دون الطول الموجي، على الرغم من أن التفاعلات بين الذرات في المادة تُعالج على المستوى العياني. تشمل الطرق الشائعة طريقة الفروق المحدودة ثلاثية الأبعاد في المجال الزمني (3D FDTD) وتوسيع الأنماط الذاتية (EME). تُعد هذه الطرق الأكثر دقة، ولكنها غير عملية طوال مدة محاكاة الدائرة المتكاملة الضوئية. المستوى التالي هو المحاكاة الكهرومغناطيسية ثنائية الأبعاد ونصف، مثل طريقة انتشار الحزمة بالفروق المحدودة (FD-BPM). تتميز هذه الطرق بسرعة أكبر، لكنها تُضحي ببعض الدقة، وتقتصر على معالجة الانتشار المحوري، ولا يمكن استخدامها لمحاكاة الرنانات، على سبيل المثال. المستوى التالي هو محاكاة الموجات الكهرومغناطيسية ثنائية الأبعاد، مثل FDTD ثنائي الأبعاد وBPM ثنائي الأبعاد. هذه الطرق أسرع أيضًا، لكنها محدودة الوظائف، إذ لا يمكنها محاكاة مُدوِّرات الاستقطاب. أما المستوى التالي فهو محاكاة مصفوفة النقل و/أو التشتت. يُختزل كل مكون رئيسي إلى مكون ذي مدخل ومخرج، ويُختزل الدليل الموجي المتصل إلى عنصر إزاحة طور وتوهين. تتميز هذه المحاكاة بسرعة فائقة. تُحسب إشارة الخرج بضرب مصفوفة النقل في إشارة الدخل. تضرب مصفوفة التشتت (التي تُسمى عناصرها معاملات S) إشارتي الدخل والخرج من جهة، لإيجاد إشارتي الدخل والخرج من الجهة الأخرى للمكون. تحتوي مصفوفة التشتت أساسًا على الانعكاس داخل العنصر. عادةً ما تكون مصفوفة التشتت ضعف حجم مصفوفة النقل في كل بُعد. باختصار، من المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد إلى محاكاة مصفوفة النقل/التشتت، تقدم كل طبقة من طبقات المحاكاة مفاضلة بين السرعة والدقة، ويختار المصممون المستوى المناسب من المحاكاة لاحتياجاتهم الخاصة لتحسين عملية التحقق من صحة التصميم.

مع ذلك، فإن الاعتماد على المحاكاة الكهرومغناطيسية لبعض العناصر واستخدام مصفوفة التشتت/النقل لمحاكاة الدائرة المتكاملة الضوئية بالكامل لا يضمن تصميمًا صحيحًا تمامًا أمام لوحة التدفق. على سبيل المثال، من المرجح أن تمر أخطاء في حساب أطوال المسارات، أو فشل الموجهات متعددة الأنماط في كبح الأنماط عالية الرتبة بفعالية، أو تقارب موجهين بشكل مفرط مما يؤدي إلى مشاكل اقتران غير متوقعة، دون اكتشافها أثناء المحاكاة. لذا، على الرغم من أن أدوات المحاكاة المتقدمة توفر إمكانيات قوية للتحقق من صحة التصميم، إلا أنها لا تزال تتطلب درجة عالية من اليقظة والفحص الدقيق من قبل المصمم، إلى جانب الخبرة العملية والمعرفة التقنية، لضمان دقة وموثوقية التصميم وتقليل مخاطر لوحة التدفق.

تتيح تقنية تُسمى FDTD المتفرقة إجراء محاكاة FDTD ثنائية وثلاثية الأبعاد مباشرةً على تصميم دائرة متكاملة ضوئية (PIC) كاملة للتحقق من صحة التصميم. على الرغم من صعوبة محاكاة دائرة متكاملة ضوئية واسعة النطاق باستخدام أي أداة محاكاة كهرومغناطيسية، إلا أن تقنية FDTD المتفرقة قادرة على محاكاة منطقة محلية كبيرة نسبيًا. في تقنية FDTD ثلاثية الأبعاد التقليدية، تبدأ المحاكاة بتهيئة المكونات الستة للمجال الكهرومغناطيسي ضمن حجم كمي محدد. ومع مرور الوقت، يتم حساب مكون المجال الجديد في هذا الحجم، وهكذا. تتطلب كل خطوة حسابات كثيرة، مما يؤدي إلى استغراق وقت طويل. أما في تقنية FDTD ثلاثية الأبعاد المتفرقة، فبدلاً من الحساب في كل خطوة عند كل نقطة من الحجم، يتم الاحتفاظ بقائمة من مكونات المجال التي يمكن نظريًا أن تتوافق مع حجم كبير جدًا، ويتم حسابها فقط لتلك المكونات. في كل خطوة زمنية، تُضاف النقاط المجاورة لمكونات المجال، بينما تُحذف مكونات المجال التي تقل عن عتبة طاقة معينة. بالنسبة لبعض الهياكل، قد تكون هذه الحسابات أسرع بعدة مراتب من طريقة FDTD ثلاثية الأبعاد التقليدية. مع ذلك، لا تُؤدي طرق FDTD المتفرقة أداءً جيدًا عند التعامل مع الهياكل المشتتة لأن حقل الزمن هذا ينتشر بشكل كبير، مما ينتج عنه قوائم طويلة جدًا ويصعب إدارتها. يوضح الشكل 1 لقطة شاشة لمحاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد مشابهة لمقسم حزمة الاستقطاب (PBS).

الشكل 1: نتائج المحاكاة باستخدام طريقة FDTD ثلاثية الأبعاد ذات المصفوفة المتفرقة. (أ) يُمثل منظرًا علويًا للهيكل المُحاكى، وهو عبارة عن مُقرن اتجاهي. (ب) يُظهر لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام إثارة شبه TE. يُظهر الرسمان أعلاه المنظر العلوي لإشارات شبه TE وشبه TM، بينما يُظهر الرسمان أدناه المنظر المقطعي المُقابل. (ج) يُظهر لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام إثارة شبه TM.