Thiết kế mạch tích hợp quang tử

Thiết kế củaquang tửmạch 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 độ dài đường đi trong máy đo giao thoa hoặc các ứng dụng khác nhạy cảm với độ dài đường đi.Hình ảnhđược sản xuất bằng cách tạo hoa văn nhiều lớp (thường từ 10 đến 30 lớp) trên một tấm wafer, được tạo thành từ nhiều hình đa giác, thường được biểu diễn theo định dạng GDSII. Trước khi gửi tệp đến nhà sản xuất mặt nạ quang học, điều rất mong muốn là có thể mô phỏng PIC để xác minh tính chính xác của thiết kế. Mô phỏng được chia thành nhiều cấp độ: cấp độ thấp nhất là mô phỏng điện từ (EM) ba chiều, trong đó mô phỏng được thực hiện ở cấp độ dưới bước sóng, mặc dù tương tác giữa các nguyên tử trong vật liệu được xử lý ở quy mô vĩ mô. Các phương pháp điển hình bao gồm phương pháp miền thời gian sai phân hữu hạn ba chiều (3D FDTD) và mở rộng chế độ riêng (EME). Các phương pháp này chính xác nhất, nhưng không thực tế đối với toàn bộ thời gian mô phỏng PIC. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng EM 2,5 chiều, chẳng hạn như lan truyền chùm sai phân 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 lan truyền ngang trục và không thể được sử dụng để mô phỏng các bộ cộng hưởng, chẳng hạn. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng điện từ 2D, chẳng hạn như 2D FDTD và 2D BPM. Các phương pháp này cũng nhanh hơn, nhưng có chức năng hạn chế, chẳng hạn như chúng không thể mô phỏng các bộ quay phân cực. Một cấp độ cao hơn là mô phỏng ma trận truyền dẫn và/hoặc tán xạ. Mỗi thành phần chính được rút gọn thành một thành phần có đầu vào và đầu ra, và ống dẫn sóng được kết nối được rút gọn thành một phần tử dịch pha và suy giảm. Các mô phỏng này cực kỳ nhanh. Tín hiệu đầu ra thu được bằng cách nhân ma trận truyền dẫn với tín hiệu đầu vào. Ma trận tán xạ (các phần tử của nó được gọi là tham số S) nhân tín hiệu đầu vào và đầu ra ở một vế để tìm tín hiệu đầu vào và đầu ra ở vế còn lại của thành phần. Về cơ bản, ma trận tán xạ chứa phản xạ bên trong phần tử. Ma trận tán xạ thường lớn gấp đôi ma trận truyền dẫn ở mỗi chiều. Tóm lại, từ mô phỏng điện từ 3D đến mô phỏng ma trận truyền dẫn/tán xạ, mỗi lớp mô phỏng đều có sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác, và các nhà thiết kế lựa chọn mức độ mô phỏng phù hợp với nhu cầu cụ thể của mình để tối ưu hóa quá trình xác thực thiết kế.

Tuy nhiên, việc dựa vào mô phỏng điện từ của một số thành phần nhất định và sử dụng ma trận tán xạ/truyền dẫn để mô phỏng toàn bộ PIC không đảm bảo thiết kế hoàn toàn chính xác trước tấm dòng chảy. Ví dụ, độ dài đường dẫn bị tính toán sai, ống dẫn sóng đa mode không triệt tiêu hiệu quả các mode bậc cao, hoặc hai ống dẫn sóng đặt quá gần nhau dẫn đến các vấn đề ghép nối bất ngờ có thể không được phát hiện trong quá trình mô phỏng. Do đó, mặc dù các công cụ mô phỏng tiên tiến cung cấp khả năng xác thực thiết kế mạnh mẽ, nhưng vẫn đòi hỏi người thiết kế phải hết sức cảnh giác và kiểm tra cẩn thận, kết hợp với kinh nghiệm thực tế và kiến ​​thức kỹ thuật, để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của thiết kế và giảm thiểu rủi ro cho sơ đồ dòng chảy.

Một kỹ thuật gọi là FDTD thưa thớt cho phép thực hiện mô phỏng FDTD 3D và 2D trực tiếp trên toàn bộ thiết kế PIC để xác thực thiết kế. Mặc dù bất kỳ công cụ mô phỏng điện từ nào cũng khó có thể mô phỏng một PIC quy mô rất lớn, nhưng FDTD thưa thớt có thể mô phỏng một vùng cục bộ khá lớn. Trong FDTD 3D truyền thống, quá trình mô phỏng bắt đầu bằng cách khởi tạo sáu thành phần của trường điện từ trong một thể tích lượng tử cụ thể. Theo thời gian, thành phần trường mới trong thể tích được tính toán, v.v. Mỗi bước đòi hỏi rất nhiều phép tính, do đó mất nhiều thời gian. Trong FDTD 3D thưa thớt, thay vì tính toán tại mỗi bước tại mỗi điểm của thể tích, một danh sách các thành phần trường được duy trì, về mặt lý thuyết có thể tương ứng với một thể tích 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 ngưỡng công suất nhất định bị loại bỏ. Đối với một số cấu trúc, phép tính này có thể nhanh hơn nhiều bậc độ lớn so với FDTD 3D truyền thống. Tuy nhiên, FDTDS thưa thớt không hiệu quả khi xử lý các cấu trúc phân tán vì trường thời gian này lan truyền quá rộng, dẫn đến danh sách quá dài và khó quản lý. Hình 1 cho thấy ảnh chụp màn hình ví dụ về mô phỏng FDTD 3D tương tự như bộ tách chùm phân cực (PBS).

Hình 1: Kết quả mô phỏng từ FDTD thưa thớt 3D. (A) là góc nhìn từ trên xuống của cấu trúc đang được mô phỏng, vốn là một bộ ghép hướng. (B) Hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng sử dụng kích thích quasi-TE. Hai sơ đồ trên hiển thị góc nhìn từ trên xuống của tín hiệu quasi-TE và quasi-TM, và hai sơ đồ bên dưới hiển thị mặt cắt ngang tương ứng. (C) Hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng sử dụng kích thích quasi-TM.