עיצוב מעגל משולב פוטוני

עיצוב שלפוטונייםמעגל משולב

מעגלים משולבים פוטוניים(PIC) מתוכננים לרוב בעזרת סקריפטים מתמטיים בגלל החשיבות של אורך נתיב באינטרפרומטרים או יישומים אחרים הרגישים לאורך נתיב.PICמיוצר על ידי טפטוף של שכבות מרובות (בדרך כלל 10 עד 30) על רקיק, המורכבות מצורות מצולעות רבות, המיוצגות לרוב בפורמט GDSII. לפני שליחת הקובץ ליצרן הפוטומסק, רצוי מאוד להיות מסוגל לדמות את ה-PIC כדי לוודא את נכונות העיצוב. הסימולציה מחולקת למספר רמות: הרמה הנמוכה ביותר היא הדמיית אלקטרומגנטית תלת מימדית (EM), שבה ההדמיה מתבצעת ברמת תת-אורך הגל, אם כי האינטראקציות בין אטומים בחומר מטופלות בקנה מידה מקרוסקופי. שיטות טיפוסיות כוללות תחום זמן סופי עם הבדל תלת מימדי (3D FDTD) והתרחבות מצב עצמי (EME). שיטות אלו הן המדויקות ביותר, אך אינן מעשיות במשך כל זמן סימולציית ה-PIC. הרמה הבאה היא הדמיית EM ב-2.5 מימדים, כגון התפשטות קרן סופית בהפרש (FD-BPM). שיטות אלו מהירות הרבה יותר, אך מקריבות מעט דיוק ויכולות להתמודד רק עם התפשטות פרקסיאלית ולא ניתן להשתמש בהן כדי לדמות מהודים, למשל. הרמה הבאה היא הדמיית EM 2D, כגון 2D FDTD ו-2D BPM. אלה גם מהירים יותר, אך בעלי פונקציונליות מוגבלת, כגון שהם אינם יכולים לדמות מסובבי קיטוב. רמה נוספת היא הדמיית מטריצת שידור ו/או פיזור. כל רכיב עיקרי מצטמצם לרכיב עם קלט ופלט, ומוליך הגל המחובר מצטמצם לאלמנט הסטת פאזה והנחתה. הדמיות אלו מהירות במיוחד. אות המוצא מתקבל על ידי הכפלת מטריצת השידור באות הכניסה. מטריצת הפיזור (שהאלמנטים שלה נקראים פרמטרים S) מכפילה את אותות הקלט והפלט בצד אחד כדי למצוא את אותות הקלט והיציאה בצד השני של הרכיב. בעיקרון, מטריצת הפיזור מכילה את ההשתקפות בתוך האלמנט. מטריצת הפיזור בדרך כלל גדולה פי שניים ממטריצת השידור בכל מימד. לסיכום, מ-3D EM ועד סימולציית מטריצות שידור/פיזור, כל שכבת סימולציה מציגה פשרה בין מהירות ודיוק, והמעצבים בוחרים את רמת הסימולציה הנכונה לצרכים הספציפיים שלהם כדי לייעל את תהליך אימות התכנון.

עם זאת, הסתמכות על הדמיה אלקטרומגנטית של אלמנטים מסוימים ושימוש במטריצת פיזור/העברה כדי לדמות את ה-PIC כולו, אינה מבטיחה תכנון נכון לחלוטין מול לוח הזרימה. לדוגמה, אורכי נתיב שגויים, מוליכי גל מרובי מצבים שאינם מצליחים לדכא ביעילות מצבים מסדר גבוה, או שני מוליכי גל קרובים מדי זה לזה המובילים לבעיות צימוד בלתי צפויות, צפויים לא להתגלות במהלך הסימולציה. לכן, למרות שכלי סימולציה מתקדמים מספקים יכולות אימות עיצוב חזקות, זה עדיין דורש דרגה גבוהה של ערנות ובדיקה קפדנית של המעצב, בשילוב עם ניסיון מעשי וידע טכני, כדי להבטיח את הדיוק והאמינות של התכנון ולהפחית את הסיכון של גיליון זרימה.

טכניקה המכונה sparse FDTD מאפשרת לבצע סימולציות 3D ו- 2D FDTD ישירות על תכנון PIC שלם כדי לאמת את התכנון. למרות שקשה לכל כלי סימולציה אלקטרומגנטי לדמות PIC בקנה מידה גדול מאוד, ה-FDTD הדליל מסוגל לדמות אזור מקומי גדול למדי. ב-3D FDTD המסורתי, הסימולציה מתחילה באתחול ששת המרכיבים של השדה האלקטרומגנטי בתוך נפח כמותי ספציפי. ככל שהזמן מתקדם, מחושב רכיב השדה החדש בנפח, וכן הלאה. כל שלב דורש הרבה חישובים, ולכן זה לוקח הרבה זמן. ב-3D FDTD דליל, במקום לחשב בכל שלב בכל נקודה של הכרך, נשמרת רשימה של רכיבי שדה שיכולה להתאים באופן תיאורטי לנפח גדול באופן שרירותי ולחושב רק עבור אותם רכיבים. בכל שלב בזמן מתווספות נקודות סמוכות לרכיבי שדה, בעוד שרכיבי שדה מתחת לסף הספק מסוים יורדים. עבור מבנים מסוימים, חישוב זה יכול להיות מהיר יותר בכמה סדרי גודל מאשר FDTD 3D מסורתי. עם זאת, FDTDS דליל אינם מתפקדים היטב כאשר מתמודדים עם מבנים מפוזרים מכיוון שהשדה בזמן זה מתפשט יותר מדי, וכתוצאה מכך רשימות ארוכות מדי וקשות לניהול. איור 1 מציג צילום מסך לדוגמה של הדמיית FDTD תלת מימדית בדומה למפצל קרן קיטוב (PBS).

איור 1: תוצאות סימולציה מ-FDTD דליל בתלת-ממד. (א) הוא מבט מלמעלה של המבנה המדמה, שהוא מצמד כיווני. (ב) מציג צילום מסך של סימולציה באמצעות עירור מעין-TE. שני הדיאגרמות שלמעלה מציגות את התצוגה העליונה של האותות ה-quasi-TE וה-quasi-TM, ושתי הדיאגרמות שלהלן מציגות את תצוגת החתך המקבילה. (ג) מציג צילום מסך של סימולציה באמצעות עירור כמו-TM.