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 kịch bản toán học vì tầm quan trọng của chiều dài đường đi trong các giao thoa kế hoặc các ứng dụng khác nhạy cảm với chiều dài đường đi.ẢNHPIC được sản xuất bằng cách tạo mẫu nhiều lớp (thường từ 10 đến 30 lớp) trên một tấm wafer, các lớp này bao gồm nhiều hình dạng đa giác, thường được biểu diễn ở định dạng GDSII. Trước khi gửi tệp tin đến nhà sản xuất mặt nạ quang học, việc mô phỏng PIC để xác minh tính chính xác của thiết kế là rất cần thiết. Quá trình 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 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 phương pháp sai phân hữu hạn theo miền thời gian ba chiều (3D FDTD) và phương pháp mở rộng chế độ riêng (EME). Các phương pháp này 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 phương pháp truyền chùm tia sai phân hữu hạn (FD-BPM). Các phương pháp này nhanh hơn nhiều, nhưng phải hy sinh một phần độ chính xác và chỉ có thể xử lý sự truyền lan cận 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, ví dụ như không thể mô phỏng bộ xoay phân cực. Cấp độ cao hơn nữa là mô phỏng ma trận truyền dẫn và/hoặc tán xạ. Mỗi thành phần chính được đơn giản hóa thành một thành phần có đầu vào và đầu ra, và ống dẫn sóng được kết nối được đơn giản hóa thành một phần tử dịch pha và suy giảm. Các mô phỏng này cực kỳ nhanh. Tín hiệu đầu ra được thu được bằng cách nhân ma trận truyền dẫn 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 còn lại 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 ma trận truyền dẫn ở mỗi chiều. Tóm lại, từ EM 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 cấp độ mô phỏng phù hợp với nhu cầu cụ thể của họ để tối ưu hóa quá trình xác thực thiết kế.

Tuy nhiên, việc chỉ 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 khi đặt trên tấm dẫn dòng. Ví dụ, chiều dài đường dẫn bị 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 vấn đề ghép nối không mong muốn rất 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 cần sự cảnh giác cao độ và kiểm tra cẩn thận của người thiết kế, kết hợp với kinh nghiệm thực tiễn và kiến ​​thức kỹ thuật, để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của thiết kế và giảm thiểu rủi ro cho tấm dẫn dòng.

Kỹ thuật gọi là FDTD thưa (sparse FDTD) 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 rất khó để bất kỳ công cụ mô phỏng điện từ nào mô phỏng một PIC quy mô rất lớn, nhưng FDTD thưa có thể mô phỏng một khu vực cục bộ khá lớn. Trong FDTD 3D truyền thống, quá trình mô phỏng bắt đầu bằng việc khởi tạo sáu thành phần của trường điện từ trong một thể tích lượng tử hóa cụ thể. Theo thời gian, thành phần trường mới trong thể tích được tính toán, và cứ thế tiếp tục. Mỗi bước yêu cầu rất nhiều phép tính, vì vậy mất rất nhiều thời gian. Trong FDTD 3D thưa, thay vì tính toán ở 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. Ở 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 sẽ bị loại bỏ. Đối với một số cấu trúc, phép tính này có thể nhanh hơn nhiều bậc so với FDTD 3D truyền thống. Tuy nhiên, các phương pháp FDTD thưa không hoạt động tốt khi xử lý các cấu trúc phân tán vì lúc này trường thời gian lan rộng quá nhiều, dẫn đến danh sách quá dài và khó quản lý. Hình 1 hiển thị ảnh chụp màn hình ví dụ về mô phỏng FDTD 3D tương tự như bộ tách chùm tia phân cực (PBS).

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