תכנון מעגל משולב פוטוני

עיצוב שלפוטונימעגל משולב

מעגלים משולבים פוטוניים(PIC) מתוכננים לרוב בעזרת תסריטים מתמטיים בגלל החשיבות של אורך הנתיב באינטרפרומטרים או יישומים אחרים הרגישים לאורך הנתיב.תמונהמיוצר על ידי דפוס שכבות מרובות (בדרך כלל 10 עד 30) על רקיק, המורכבות מצורות מצולעיות רבות, המיוצגות לעתים קרובות בפורמט GDSII. לפני שליחת הקובץ ליצרן Photomask, רצוי מאוד להיות מסוגל לדמות את ה- PIC כדי לאמת את נכונות העיצוב. הסימולציה מחולקת לרמות מרובות: הרמה הנמוכה ביותר היא הסימולציה האלקטרומגנטית התלת מימדית (EM), כאשר הסימולציה מתבצעת ברמה של אורך הגל, אם כי האינטראקציות בין האטומים בחומר מטופלים בסולם המקרוסקופי. שיטות אופייניות כוללות תחום זמן תלת מימדי-די-די-די-דין (תלת מימד FDTD) והתרחבות עצמית (EME). שיטות אלה הן המדויקות ביותר, אך אינן מעשיות לכל זמן הדמיית ה- PIC. הרמה הבאה היא סימולציה של 2.5 ממדי EM, כמו התפשטות קרני ההבדל הסופית (FD-BPM). שיטות אלה מהירות בהרבה, אך מקריבות דיוק מסוים ויכולות להתמודד רק עם התפשטות פרקסיאלית ולא ניתן להשתמש בהן כדי לדמות מהדהדים, למשל. הרמה הבאה היא סימולציה של 2D EM, כגון 2D FDTD ו- 2D BPM. אלה גם מהירים יותר, אך הם בעלי פונקציונליות מוגבלת, כמו שהם לא יכולים לדמות סיבובי קיטוב. רמה נוספת היא סימולציה של שידור ו/או פיזור מטריקס. כל רכיב עיקרי מצטמצם לרכיב עם קלט ופלט, ומדריך הגל המחובר מצטמצם לשינוי פאזה ואלמנט הנחתה. הדמיות אלה מהירות ביותר. אות הפלט מתקבל על ידי הכפלת מטריצת ההעברה על ידי אות הקלט. מטריצת הפיזור (שאלמנטים שלה נקראים פרמטרים S) מכפילה את אותות הקלט והפלט בצד אחד כדי למצוא את אותות הקלט והפלט בצד השני של הרכיב. בעיקרון, מטריצת הפיזור מכילה את ההשתקפות בתוך האלמנט. מטריצת הפיזור גדולה בדרך כלל גדולה פי שניים ממטריצת ההולכה בכל ממד. לסיכום, החל מתלת מימד ועד סימולציה של שידור/פיזור מטריקס, כל שכבה של סימולציה מציגה סחר בין מהירות לדיוק, ומעצבים בוחרים את רמת הסימולציה הנכונה לצרכים הספציפיים שלהם כדי לייעל את תהליך אימות התכנון.

עם זאת, הסתמכות על סימולציה אלקטרומגנטית של אלמנטים מסוימים ושימוש במטריצת פיזור/העברה כדי לדמות את ה- PIC כולה אינה מבטיחה עיצוב נכון לחלוטין מול לוח הזרימה. לדוגמה, אורך נתיב שגוי, מדריכי גל מולטימווד שאינם מצליחים לדכא מצבים מסדר גבוה, או שתי מדריכי גל קרובים מדי זה לזה המובילים לבעיות צימוד בלתי צפויות עשויים להתגלות במהלך ההדמיה. לפיכך, למרות שכלי סימולציה מתקדמים מספקים יכולות אימות עיצוביות עוצמתיות, זה עדיין דורש מידה גבוהה של ערנות ובדיקה מדוקדקת של המעצב, בשילוב עם ניסיון מעשי וידע טכני, כדי להבטיח את הדיוק והאמינות של התכנון ולהפחית את הסיכון של גיליון הזרימה.

טכניקה בשם Sparse FDTD מאפשרת לבצע הדמיות תלת מימדיות ו- 2D FDTD ישירות בעיצוב PIC מלא כדי לאמת את העיצוב. למרות שקשה לכל כלי סימולציה אלקטרומגנטי לדמות תמונה בקנה מידה גדול מאוד, ה- FDTD הדליל מסוגל לדמות אזור מקומי גדול למדי. ב- FDTD תלת מימדי מסורתי, הסימולציה מתחילה על ידי אתחול ששת הרכיבים של השדה האלקטרומגנטי בתוך נפח כמותי ספציפי. ככל שהזמן מתקדם, רכיב השדה החדש בנפח מחושב וכן הלאה. כל שלב דורש חישוב רב, ולכן לוקח הרבה זמן. ב- FDTD תלת מימדי דליל, במקום לחשב בכל שלב בכל נקודה של עוצמת הקול, נשמרת רשימה של רכיבי שדה שיכולה להתאים באופן תיאורטי לנפח גדול באופן שרירותי ולחושב רק עבור אותם רכיבים. בכל שלב זמן מתווספות נקודות הסמוכות לרכיבי שדה, ואילו רכיבי שדה מתחת לסף כוח מסוים נופלים. עבור מבנים מסוימים, חישוב זה יכול להיות כמה סדרי גודל מהיר יותר מאשר FDTD תלת מימדי מסורתי. עם זאת, FDTDs דלילים אינם מתפקדים היטב כאשר הם מתמודדים עם מבנים מפוזרים מכיוון שהפעם שדה מתפשט יותר מדי, וכתוצאה מכך רשימות ארוכות וקשות מדי לניהול. איור 1 מציג צילום מסך של דוגמה של הדמיית FDTD תלת -ממדית דומה למפצל קרני קיטוב (PBS).

איור 1: תוצאות סימולציה מ- FDTD דליל תלת -ממדי. (א) הוא מבט עליון של המבנה המדומה, שהוא מצמד כיווני. (ב) מציג צילום מסך של סימולציה באמצעות עירור מעין-טה. שתי הדיאגרמות שלמעלה מציגות את התצוגה העליונה של אותות Quasi-TE ו- Quasi-TM, ושני הדיאגרמות שמתחת מראים את התצוגה של חתך המתאים. (ג) מציג צילום מסך של סימולציה באמצעות עירור מעין-TM.