Thiết kế mạch tích hợp quang tử

Thiết kế củaPhotonicMạch tích hợp

Mạch tích hợp quang tử(PIC) thường được thiết kế với sự trợ giúp của các tập lệnh toán học vì tầm quan trọng của chiều dài đường dẫn trong giao thoa kế hoặc các ứng dụng khác nhạy cảm với độ dài đường dẫn.Picđược sản xuất bằng cách tạo ra nhiều lớp (thường là 10 đến 30) trên một wafer, bao gồm nhiều hình dạng đa giác, thường được biểu thị ở định dạng GDSII. Trước khi gửi tệp cho nhà sản xuất Photomask, rất mong muốn có thể mô phỏng PIC để xác minh tính chính xác của thiết kế. Mô phỏng được chia thành nhiều cấp độ: mức thấp nhất là mô phỏng điện từ ba chiều (EM), trong đó mô phỏng được thực hiện ở cấp độ bước sóng con, mặc dù các tương tác giữa các nguyên tử trong vật liệu được xử lý ở quy mô vĩ mô. Các phương pháp điển hình bao gồm miền thời gian khác biệt hữu hạn ba chiều (3D FDTD) và mở rộng Eigenmode (EME). Các phương pháp này là chính xác nhất, nhưng không thực tế cho toàn bộ thời gian mô phỏng PIC. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng EM 2,5 chiều, chẳng hạn như lan truyền chùm tia khác biệt hữu hạn (FD-BPM). Các phương pháp này nhanh hơn nhiều, nhưng hy sinh một số độ chính xác và chỉ có thể xử lý sự lan truyền parular và không thể được sử dụng để mô phỏng các bộ cộng hưởng, chẳng hạn. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng 2D EM, chẳng hạn như 2D FDTD và 2D BPM. Chúng cũng nhanh hơn, nhưng có chức năng hạn chế, chẳng hạn như chúng không thể mô phỏng các máy quay phân cực. Một cấp độ hơn nữa là truyền và/hoặc mô phỏng ma trận tán xạ. Mỗi thành phần chính được giảm xuống thành một thành phần có đầu vào và đầu ra, và ống dẫn sóng được kết nối được giảm xuống thành phần tử dịch pha và suy giảm. Những mô phỏng này cực kỳ nhanh. Tín hiệu đầu ra thu được bằng cách nhân ma trận truyền với tín hiệu đầu vào. Ma trận tán xạ (có các phần tử được gọi là tham số S) nhân lên các tín hiệu đầu vào và đầu ra ở một bên để tìm tín hiệu đầu vào và đầu ra ở phía bên kia của thành phần. Về cơ bản, ma trận tán xạ chứa sự phản xạ bên trong phần tử. Ma trận tán xạ thường lớn gấp đôi so với ma trận truyền trong mỗi chiều. Tóm lại, từ mô phỏng ma trận 3D đến truyền/tán xạ, mỗi lớp mô phỏng thể hiện sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác, và các nhà thiết kế chọn mức độ mô phỏng phù hợp cho nhu cầu cụ thể của họ để tối ưu hóa quá trình xác nhận thiết kế.

Tuy nhiên, dựa vào mô phỏng điện từ của các yếu tố nhất định và sử dụng ma trận tán xạ/chuyển để mô phỏng toàn bộ PIC không đảm bảo thiết kế hoàn toàn chính xác ở phía trước tấm dòng chảy. Ví dụ, độ dài đường dẫn được tính toán sai, ống dẫn sóng đa chế độ không thể triệt tiêu hiệu quả các chế độ bậc cao hoặc hai ống dẫn sóng quá gần nhau dẫn đến các vấn đề ghép bất ngờ có khả năng không bị phát hiện trong quá trình mô phỏng. Do đó, mặc dù các công cụ mô phỏng nâng cao cung cấp khả năng xác nhận thiết kế mạnh mẽ, nhưng nó vẫn đòi hỏi một mức độ cảnh giác cao và kiểm tra cẩn thận của nhà thiết kế, kết hợp với kinh nghiệm thực tế và kiến ​​thức kỹ thuật, để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của thiết kế và giảm rủi ro của bảng chảy.

Một kỹ thuật gọi là FDTD thưa thớt cho phép mô phỏng FDTD 3D và 2D được thực hiện trực tiếp trên thiết kế PIC hoàn chỉnh để xác nhận thiết kế. Mặc dù rất khó để bất kỳ công cụ mô phỏng điện từ nào mô phỏng một PIC quy mô rất lớn, nhưng FDTD thưa thớt có thể mô phỏng một khu vực địa phương khá lớn. Trong FDTD 3D truyền thống, mô phỏng bắt đầu bằng cách khởi tạo sáu thành phần của trường điện từ trong một thể tích được định lượng cụ thể. Khi thời gian tiến triển, thành phần trường mới trong âm lượng được tính toán, v.v. Mỗi bước yêu cầu rất nhiều tính toán, vì vậy phải mất một thời gian dài. Trong FDTD 3D thưa thớt, thay vì tính toán ở mỗi bước tại mỗi điểm của khối lượng, một danh sách các thành phần trường được duy trì về mặt lý thuyết có thể tương ứng với khối lượng lớn tùy ý và chỉ được tính toán cho các thành phần đó. Tại mỗi bước thời gian, các điểm liền kề với các thành phần trường được thêm vào, trong khi các thành phần trường dưới một ngưỡng công suất nhất định bị loại bỏ. Đối với một số cấu trúc, tính toán này có thể nhanh hơn một số đơn đặt hàng mạnh hơn FDTD 3D truyền thống. Tuy nhiên, FDTD thưa thớt không hoạt động tốt khi xử lý các cấu trúc phân tán vì trường thời gian này lan rộng quá nhiều, dẫn đến các danh sách quá dài và khó quản lý. Hình 1 cho thấy một ảnh chụp màn hình ví dụ về mô phỏng FDTD 3D tương tự như bộ chia chùm phân cực (PBS).

Hình 1: Kết quả mô phỏng từ FDTD 3D thưa thớt. (A) là một chế độ xem trên cùng của cấu trúc được mô phỏng, đó là một bộ ghép định hướng. (B) hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng bằng cách sử dụng kích thích gần như. Hai sơ đồ trên cho thấy chế độ xem trên cùng của các tín hiệu Quasi-Te và Quasi-TM, và hai sơ đồ dưới đây cho thấy chế độ xem cắt ngang tương ứng. (C) hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng bằng cách sử dụng kích thích gần như TM.