फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट का डिज़ाइन

का डिज़ाइनफोटोनिकएकीकृत परिपथ

फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट(पीआईसी) को अक्सर गणितीय लिपियों की मदद से डिज़ाइन किया जाता है क्योंकि इंटरफेरोमीटर या अन्य अनुप्रयोगों में पथ की लंबाई का महत्व होता है जो पथ की लंबाई के प्रति संवेदनशील होते हैं।चित्रएक वेफर पर कई परतों (आमतौर पर 10 से 30) को थपथपाकर निर्मित किया जाता है, जो कई बहुभुज आकृतियों से बनी होती हैं, जिन्हें अक्सर GDSII प्रारूप में दर्शाया जाता है। फोटोमास्क निर्माता को फ़ाइल भेजने से पहले, डिज़ाइन की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए पीआईसी का अनुकरण करने में सक्षम होना अत्यधिक वांछनीय है। सिमुलेशन को कई स्तरों में विभाजित किया गया है: सबसे निचला स्तर त्रि-आयामी विद्युत चुम्बकीय (ईएम) सिमुलेशन है, जहां सिमुलेशन उप-तरंग दैर्ध्य स्तर पर किया जाता है, हालांकि सामग्री में परमाणुओं के बीच बातचीत को मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर नियंत्रित किया जाता है। विशिष्ट तरीकों में त्रि-आयामी परिमित-अंतर समय-डोमेन (3डी एफडीटीडी) और ईजेनमोड विस्तार (ईएमई) शामिल हैं। ये विधियाँ सबसे सटीक हैं, लेकिन संपूर्ण PIC सिमुलेशन समय के लिए अव्यावहारिक हैं। अगला स्तर 2.5-आयामी ईएम सिमुलेशन है, जैसे परिमित-अंतर बीम प्रसार (एफडी-बीपीएम)। ये विधियाँ बहुत तेज़ हैं, लेकिन कुछ सटीकता का त्याग करती हैं और केवल पैराएक्सियल प्रसार को संभाल सकती हैं और उदाहरण के लिए, अनुनादकों का अनुकरण करने के लिए इसका उपयोग नहीं किया जा सकता है। अगला स्तर 2डी ईएम सिमुलेशन है, जैसे 2डी एफडीटीडी और 2डी बीपीएम। ये तेज़ भी हैं, लेकिन इनकी कार्यक्षमता सीमित है, जैसे कि ये ध्रुवीकरण रोटेटर का अनुकरण नहीं कर सकते हैं। एक और स्तर ट्रांसमिशन और/या स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन है। प्रत्येक प्रमुख घटक को इनपुट और आउटपुट के साथ एक घटक में कम कर दिया जाता है, और कनेक्टेड वेवगाइड को एक चरण शिफ्ट और क्षीणन तत्व में कम कर दिया जाता है। ये सिमुलेशन बेहद तेज़ हैं. आउटपुट सिग्नल ट्रांसमिशन मैट्रिक्स को इनपुट सिग्नल से गुणा करके प्राप्त किया जाता है। स्कैटरिंग मैट्रिक्स (जिनके तत्वों को एस-पैरामीटर कहा जाता है) घटक के दूसरी तरफ इनपुट और आउटपुट सिग्नल को खोजने के लिए एक तरफ इनपुट और आउटपुट सिग्नल को गुणा करता है। मूल रूप से, प्रकीर्णन मैट्रिक्स में तत्व के अंदर प्रतिबिंब होता है। प्रकीर्णन मैट्रिक्स आमतौर पर प्रत्येक आयाम में ट्रांसमिशन मैट्रिक्स से दोगुना बड़ा होता है। संक्षेप में, 3डी ईएम से लेकर ट्रांसमिशन/स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन तक, सिमुलेशन की प्रत्येक परत गति और सटीकता के बीच एक व्यापार-बंद प्रस्तुत करती है, और डिज़ाइनर डिज़ाइन सत्यापन प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सिमुलेशन का सही स्तर चुनते हैं।

हालाँकि, कुछ तत्वों के विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन पर भरोसा करना और संपूर्ण PIC को अनुकरण करने के लिए स्कैटरिंग/ट्रांसफर मैट्रिक्स का उपयोग करना प्रवाह प्लेट के सामने पूरी तरह से सही डिज़ाइन की गारंटी नहीं देता है। उदाहरण के लिए, गलत गणना की गई पथ लंबाई, मल्टीमोड वेवगाइड जो उच्च-क्रम मोड को प्रभावी ढंग से दबाने में विफल रहते हैं, या दो वेवगाइड जो एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, जिससे अप्रत्याशित युग्मन समस्याएं पैदा होती हैं, सिमुलेशन के दौरान अनिर्धारित रहने की संभावना है। इसलिए, हालांकि उन्नत सिमुलेशन उपकरण शक्तिशाली डिजाइन सत्यापन क्षमताएं प्रदान करते हैं, फिर भी डिजाइन की सटीकता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने और जोखिम को कम करने के लिए, व्यावहारिक अनुभव और तकनीकी ज्ञान के साथ डिजाइनर द्वारा उच्च स्तर की सतर्कता और सावधानीपूर्वक निरीक्षण की आवश्यकता होती है। प्रवाह चादर।

स्पार्स एफडीटीडी नामक एक तकनीक डिजाइन को मान्य करने के लिए 3डी और 2डी एफडीटीडी सिमुलेशन को सीधे पूर्ण पीआईसी डिजाइन पर निष्पादित करने की अनुमति देती है। यद्यपि किसी भी विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन उपकरण के लिए बहुत बड़े पैमाने पर पीआईसी का अनुकरण करना मुश्किल है, विरल एफडीटीडी काफी बड़े स्थानीय क्षेत्र का अनुकरण करने में सक्षम है। पारंपरिक 3डी एफडीटीडी में, सिमुलेशन एक विशिष्ट परिमाणित मात्रा के भीतर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के छह घटकों को प्रारंभ करके शुरू होता है। जैसे-जैसे समय बढ़ता है, वॉल्यूम में नए फ़ील्ड घटक की गणना की जाती है, इत्यादि। प्रत्येक चरण में बहुत अधिक गणना की आवश्यकता होती है, इसलिए इसमें लंबा समय लगता है। विरल 3डी एफडीटीडी में, वॉल्यूम के प्रत्येक बिंदु पर प्रत्येक चरण पर गणना करने के बजाय, फ़ील्ड घटकों की एक सूची बनाए रखी जाती है जो सैद्धांतिक रूप से एक मनमाने ढंग से बड़ी मात्रा के अनुरूप हो सकती है और केवल उन घटकों के लिए गणना की जा सकती है। प्रत्येक समय चरण में, फ़ील्ड घटकों से सटे बिंदु जोड़े जाते हैं, जबकि एक निश्चित पावर सीमा से नीचे के फ़ील्ड घटकों को हटा दिया जाता है। कुछ संरचनाओं के लिए, यह गणना पारंपरिक 3D FDTD की तुलना में तीव्रता के कई ऑर्डर हो सकती है। हालाँकि, विरल FDTDS फैलावदार संरचनाओं से निपटने में अच्छा प्रदर्शन नहीं करते हैं क्योंकि इस समय क्षेत्र बहुत अधिक फैलता है, जिसके परिणामस्वरूप सूचियाँ बहुत लंबी हो जाती हैं और उन्हें प्रबंधित करना मुश्किल हो जाता है। चित्र 1 ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (पीबीएस) के समान 3डी एफडीटीडी सिमुलेशन का एक उदाहरण स्क्रीनशॉट दिखाता है।

चित्र 1: 3डी विरल एफडीटीडी से सिमुलेशन परिणाम। (ए) अनुरूपित की जा रही संरचना का एक शीर्ष दृश्य है, जो एक दिशात्मक युग्मक है। (बी) अर्ध-टीई उत्तेजना का उपयोग करके सिमुलेशन का एक स्क्रीनशॉट दिखाता है। ऊपर दिए गए दो चित्र अर्ध-टीई और अर्ध-टीएम संकेतों का शीर्ष दृश्य दिखाते हैं, और नीचे दिए गए दो चित्र संबंधित क्रॉस-अनुभागीय दृश्य दिखाते हैं। (सी) अर्ध-टीएम उत्तेजना का उपयोग करके सिमुलेशन का एक स्क्रीनशॉट दिखाता है।