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 truyền trong giao thoa kế hoặc các ứng dụng khác nhạy cảm với độ dài đường truyền.PICđược sản xuất bằng cách tạo nhiều lớp (thường từ 10 đến 30) trên một tấm bán dẫn, bao gồm nhiều hình dạng đa giác, thường được biểu thị ở định dạng GDSII. Trước khi gửi tệp đến nhà sản xuất mặt nạ ảnh, bạn nên 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 ba chiều (EM), trong đó mô phỏng được thực hiện ở cấp độ bước sóng phụ, 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 miền thời gian sai phân hữu hạn ba chiều (3D FDTD) và mở rộng mã riêng (EME). Những phương pháp này là chính xác nhất nhưng không thực tế trong toàn bộ thời gian mô phỏng PIC. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng EM 2,5 chiều, chẳng hạn như truyền chùm tia sai phân hữu hạn (FD-BPM). Những phương pháp này nhanh hơn nhiều, nhưng hy sinh một số độ chính xác và chỉ có thể xử lý sự truyền lan dọc trục và không thể được sử dụng để mô phỏng các bộ cộng hưởng chẳng hạn. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng EM 2D, 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 bộ quay phân cực. Một cấp độ cao hơn là mô phỏng ma trận truyền và/hoặc tán xạ. Mỗi thành phần chính được giảm xuống thành một thành phần có đầu vào và đầu ra, đồng thời ống dẫn sóng được kết nối được giảm xuống thành phần tử suy giảm và lệch pha. 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 tín hiệu đầu vào và đầu ra ở một phía 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 chiếu bên trong phần tử. Ma trận tán xạ thường lớn gấp đôi ma trận truyền trong mỗi chiều. Tóm lại, từ 3D EM đến mô phỏng ma trận truyền/tán xạ, mỗi lớp mô phỏng thể hiện sự cân bằng giữa tốc độ và độ chính xác, đồng thời các nhà thiết kế chọn mức mô phỏng phù hợp cho nhu cầu cụ thể của mình để tối ưu hóa quy trình xác thực thiết kế.

Tuy nhiên, việc dựa vào mô phỏng điện từ của một số phần tử nhất định và sử dụng ma trận tán xạ/truyền để mô phỏng toàn bộ PIC không đảm bảo một thiết kế hoàn toàn chính xác ở phía trước tấm lưu lượng. Ví dụ: độ dài đường dẫn được tính toán sai, các ống dẫn sóng đa chế độ không triệt tiêu hiệu quả các chế độ bậc cao hoặc hai ống dẫn sóng quá gần nhau dẫn đến các sự cố ghép nối không mong muốn có thể sẽ không bị phát hiện trong quá trình mô phỏng. Do đó, mặc dù các công cụ mô phỏng tiên tiến cung cấp khả năng xác nhận thiết kế mạnh mẽ nhưng nó vẫn đòi hỏi người thiết kế phải có mức độ cảnh giác cao và kiểm tra cẩn thận, kết hợp với kinh nghiệm thực tế và kiến ​​thức kỹ thuật để đảm bảo tính chính xác, độ tin cậy của thiết kế và giảm thiểu rủi ro tờ lưu lượng.

Một kỹ thuật được gọi là FDTD thưa thớt cho phép thực hiện mô phỏng FDTD 3D và 2D trực tiếp trên một thiết kế PIC hoàn chỉnh để xác nhận thiết kế. Mặc dù khó có bất kỳ công cụ mô phỏng điện từ nào có thể mô phỏng một PIC quy mô rất lớn, nhưng FDTD thưa thớt có thể mô phỏng một khu vực 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 khối lượng tử hóa cụ thể. Theo thời gian, thành phần trường mới trong tập sẽ được tính toán, v.v. Mỗi bước đều phải tính toán nhiều nên mất nhiều thời gian. Trong FDTD 3D thưa thớt, thay vì tính toán ở mỗi bước tại mỗi điểm của khối, một danh sách các thành phần trường được duy trì mà về mặt lý thuyết có thể tương ứng với một khối lượng lớn tùy ý và chỉ được tính cho các thành phần đó. Tại mỗi bước thời gian, các điểm liền kề với các thành phần trường sẽ được thêm vào, trong khi các thành phần trường dưới ngưỡng công suất nhất định sẽ bị loại bỏ. Đối với một số cấu trúc, tính toán này có thể nhanh hơn nhiều so với FDTD 3D truyền thống. Tuy nhiên, FDTDS thưa thớt không hoạt động tốt khi xử lý các cấu trúc phân tán vì trường thời gian này trải rộng quá nhiều, dẫn đến danh sách quá dài và khó quản lý. Hình 1 hiển thị ảnh chụp màn hình mẫu của 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 hình nhìn từ trên xuống của cấu trúc được mô phỏng, là một bộ ghép định hướng. (B) Hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng sử dụng kích thích gần như TE. Hai sơ đồ trên hiển thị chế độ xem trên cùng của tín hiệu gần như TE và gần như TM, và hai sơ đồ bên dưới hiển thị chế độ xem mặt cắt tương ứng. (C) Hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng sử dụng kích thích gần như TM.