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 độ dài đường đi rất quan trọng trong máy giao thoa kế hoặc các ứng dụng khác nhạy cảm với độ dài đường đi.Hình ảnhđược sản xuất bằng cách tạo hoa văn nhiều lớp (thường là 10 đến 30) trên một tấm wafer, được tạo thành từ nhiều hình đa giác, thường được biểu diễn theo định dạng GDSII. Trước khi gửi tệp cho nhà sản xuất mặt nạ quang, bạn nên có khả năng 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 mở rộng chế độ riêng (EME) và phương pháp chênh lệch hữu hạn ba chiều trong miền thời gian (3D FDTD). 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 phương pháp truyền chùm chênh lệch hữu hạn (FD-BPM). Các phương pháp này nhanh hơn nhiều, nhưng lại mất đi một số độ chính xác và chỉ có thể xử lý truyền dọc trục và không thể sử dụng để mô phỏng các bộ cộng hưởng, chẳng hạn. Cấp độ tiếp theo là mô phỏng EM 2D, chẳng hạn như FDTD 2D và BPM 2D. Những cấp độ 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 khác 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, và ống dẫn sóng được kết nối được giảm xuống thành 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 với tín hiệu đầu vào. Ma trận tán xạ (các thành phần của nó được gọi là tham số S) nhân các tín hiệu đầu vào và đầu ra ở một bên để tìm các tín hiệu đầu vào và đầu ra ở phía bên kia của thành phần. Về cơ bản, ma trận tán xạ chứa phản xạ bên trong thành phần. Ma trận tán xạ thường lớn gấp đôi ma trận truyền ở mỗi chiều. Tóm lại, từ mô phỏng EM 3D đến ma trận truyền/tán xạ, mỗi lớp mô phỏng đều có sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác, và các nhà thiết kế chọn đúng cấp độ mô phỏng cho nhu cầu cụ thể của họ để tối ưu hóa quy 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 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 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 nối bất ngờ có khả năng 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 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 tính chính xác và độ tin cậy của thiết kế và giảm rủi ro của sơ đồ dòng 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 thực thiết kế. Mặc dù bất kỳ công cụ mô phỏng điện từ nào cũng khó có thể mô phỏng 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 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 cấp độ 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 lan truyền quá nhiều, dẫn đến các 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, 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 góc nhìn mặt cắt tương ứng. (C) Hiển thị ảnh chụp màn hình mô phỏng sử dụng kích thích quasi-TM.