تصميم الدائرة المتكاملة الفوتونية

تصميمفوتونيةالدائرة المتكاملة

الدوائر المتكاملة الفوتونية(PIC) يتم تصميمها في كثير من الأحيان بمساعدة البرامج النصية الرياضية بسبب أهمية طول المسار في أجهزة قياس التداخل أو التطبيقات الأخرى الحساسة لطول المسار.صورةيتم تصنيعها عن طريق نقش طبقات متعددة (عادةً من 10 إلى 30) على رقاقة، والتي تتكون من العديد من الأشكال المضلعة، والتي غالبًا ما يتم تمثيلها بتنسيق GDSII. قبل إرسال الملف إلى الشركة المصنعة لقناع الصورة، من المستحسن بشدة أن تكون قادرًا على محاكاة PIC للتحقق من صحة التصميم. تنقسم المحاكاة إلى مستويات متعددة: المستوى الأدنى هو المحاكاة الكهرومغناطيسية (EM) ثلاثية الأبعاد، حيث يتم إجراء المحاكاة على مستوى الطول الموجي الفرعي، على الرغم من أن التفاعلات بين الذرات في المادة يتم التعامل معها على النطاق العياني. تشمل الطرق النموذجية مجال الوقت ثلاثي الأبعاد للفرق المحدود (3D FDTD) وتوسيع الوضع الذاتي (EME). هذه الطرق هي الأكثر دقة، ولكنها غير عملية لوقت محاكاة PIC بالكامل. المستوى التالي هو محاكاة EM ثنائية الأبعاد ونصف، 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 و 2D BPM. هذه أيضًا أسرع، ولكن لها وظائف محدودة، مثل عدم قدرتها على محاكاة دوارات الاستقطاب. مستوى آخر هو محاكاة مصفوفة الإرسال و/أو التشتت. يتم تقليل كل مكون رئيسي إلى مكون مع إدخال وإخراج، ويتم تقليل الدليل الموجي المتصل إلى عنصر إزاحة الطور والتوهين. هذه المحاكاة سريعة للغاية. يتم الحصول على إشارة الخرج عن طريق ضرب مصفوفة الإرسال في إشارة الإدخال. تضاعف مصفوفة التشتت (التي تسمى عناصرها معلمات S) 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. عادة ما تكون مصفوفة التشتت أكبر بمرتين من 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 المحددة لتحسين عملية التحقق من صحة التصميم.

مع ذلك، فإن الاعتماد على المحاكاة الكهرومغناطيسية لعناصر معينة واستخدام مصفوفة تشتت/نقل لمحاكاة الدائرة المتكاملة للدائرة المتكاملة (PIC) بأكملها لا يضمن تصميمًا صحيحًا تمامًا أمام لوحة التدفق. على سبيل المثال، من المرجح ألا يتم اكتشاف أطوال المسارات المحسوبة بشكل خاطئ، أو فشل أدلة الموجات متعددة الأوضاع في قمع الأنماط عالية الترتيب بشكل فعال، أو وجود دليلين موجيين قريبين جدًا من بعضهما البعض مما يؤدي إلى مشاكل اقتران غير متوقعة أثناء المحاكاة. لذلك، 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 مخطط التدفق.

تسمح تقنية تسمى FDTD المتفرقة بإجراء عمليات محاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد مباشرة على تصميم PIC كامل للتحقق من صحة التصميم. وعلى الرغم من صعوبة محاكاة PIC واسع النطاق للغاية على أي أداة محاكاة كهرومغناطيسية، فإن FDTD المتفرقة قادرة على محاكاة منطقة محلية كبيرة إلى حد ما. في FDTD ثلاثي الأبعاد التقليدي، تبدأ المحاكاة بتهيئة المكونات الستة للمجال الكهرومغناطيسي داخل حجم كمي محدد. ومع تقدم الوقت، يتم حساب مكون المجال الجديد في الحجم، وهكذا. تتطلب كل خطوة الكثير من الحسابات، لذا تستغرق وقتًا طويلاً. في FDTD ثلاثي الأبعاد المتفرقة، بدلاً من الحساب في كل خطوة عند كل نقطة من الحجم، يتم الاحتفاظ بقائمة من مكونات المجال التي يمكن أن تتوافق نظريًا مع حجم كبير بشكل تعسفي ويتم حسابها لتلك المكونات فقط. في كل خطوة زمنية، تتم إضافة النقاط المجاورة لمكونات المجال، بينما يتم إسقاط مكونات المجال التي تقل عن عتبة طاقة معينة. بالنسبة لبعض الهياكل، يمكن أن يكون هذا الحساب أسرع بكثير من خوارزمية FDTD ثلاثية الأبعاد التقليدية. ومع ذلك، لا تعمل خوارزميات FDTD المتفرقة بشكل جيد عند التعامل مع الهياكل المشتتة، لأن هذا المجال الزمني ينتشر بشكل كبير، مما ينتج عنه قوائم طويلة جدًا ويصعب إدارتها. يوضح الشكل 1 لقطة شاشة لمحاكاة FDTD ثلاثية الأبعاد مشابهة لمقسم شعاع الاستقطاب (PBS).

الشكل 1: نتائج المحاكاة من FDTD متفرق ثلاثي الأبعاد. (أ) منظر علوي للهيكل قيد المحاكاة، وهو مُقرن اتجاهي. (ب) لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام إثارة شبه TE. يُظهر الرسمان البيانيان أعلاه المنظر العلوي لإشارتي شبه TE وشبه TM، ويُظهر الرسمان البيانيان أدناه المقطع العرضي المقابل. (ج) لقطة شاشة لمحاكاة باستخدام إثارة شبه TM.