फोटोनिक एकीकृत सर्किट का डिज़ाइन

का डिज़ाइनफोटोनिकएकीकृत परिपथ

फोटोनिक एकीकृत सर्किट(PIC) को अक्सर गणितीय लिपियों की सहायता से डिजाइन किया जाता है, क्योंकि इंटरफेरोमीटर या अन्य अनुप्रयोगों में पथ लंबाई का महत्व होता है, जो पथ लंबाई के प्रति संवेदनशील होते हैं।चित्रएक वेफर पर कई परतों (आमतौर पर 10 से 30) को पैटर्निंग करके निर्मित किया जाता है, जो कई बहुभुज आकारों से बने होते हैं, जिन्हें अक्सर जीडीएसआईआई प्रारूप में दर्शाया जाता है। फोटोमास्क निर्माता को फ़ाइल भेजने से पहले, डिजाइन की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए पीआईसी का अनुकरण करने में सक्षम होना बेहद वांछनीय है। सिमुलेशन को कई स्तरों में विभाजित किया गया है: निम्नतम स्तर तीन आयामी विद्युत चुम्बकीय (ईएम) सिमुलेशन है, जहां सिमुलेशन उप-तरंगदैर्ध्य स्तर पर किया जाता है, हालांकि सामग्री में परमाणुओं के बीच बातचीत को मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर संभाला जाता है। विशिष्ट तरीकों में तीन आयामी परिमित-अंतर समय-डोमेन (3 डी एफडीटीडी) और आइजेनमोड विस्तार (ईएमई) शामिल हैं। ये विधियां सबसे सटीक हैं, लेकिन पूरे पीआईसी सिमुलेशन समय के लिए अव्यावहारिक हैं। ये विधियाँ बहुत तेज़ हैं, लेकिन कुछ सटीकता का त्याग करती हैं और केवल पैराएक्सियल प्रसार को ही संभाल सकती हैं और उदाहरण के लिए, अनुनादकों का अनुकरण करने के लिए इस्तेमाल नहीं की जा सकती हैं। अगला स्तर 2D EM सिमुलेशन है, जैसे 2D FDTD और 2D BPM। ये भी तेज़ हैं, लेकिन इनकी कार्यक्षमता सीमित है, जैसे कि ये ध्रुवीकरण रोटेटरों का अनुकरण नहीं कर सकते। एक और स्तर ट्रांसमिशन और/या स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन है। प्रत्येक प्रमुख घटक को इनपुट और आउटपुट वाले एक घटक में घटा दिया जाता है, और कनेक्टेड वेवगाइड को एक चरण शिफ्ट और क्षीणन तत्व में घटा दिया जाता है। ये सिमुलेशन बेहद तेज़ हैं। आउटपुट सिग्नल ट्रांसमिशन मैट्रिक्स को इनपुट सिग्नल से गुणा करके प्राप्त किया जाता है। स्कैटरिंग मैट्रिक्स (जिसके तत्वों को S-पैरामीटर कहा जाता है संक्षेप में, 3D EM से लेकर ट्रांसमिशन/स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन तक, सिमुलेशन की प्रत्येक परत गति और सटीकता के बीच एक समझौता 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 निर्भर रहना और संपूर्ण PIC का अनुकरण करने के लिए प्रकीर्णन/स्थानांतरण 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, बहुविध तरंग पथक जो उच्च-क्रम विधाओं को प्रभावी ढंग से दबाने में विफल रहते हैं, या दो तरंग पथक जो एक-दूसरे के बहुत करीब होते हैं जिससे अप्रत्याशित युग्मन समस्याएँ उत्पन्न होती हैं, सिमुलेशन के दौरान पता न चलने की संभावना है। इसलिए, हालाँकि उन्नत सिमुलेशन उपकरण शक्तिशाली डिज़ाइन सत्यापन क्षमताएँ प्रदान करते हैं, फिर भी डिज़ाइन की सटीकता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने और प्रवाह पत्रक के जोखिम को कम करने के लिए, डिज़ाइनर द्वारा उच्च स्तर की सतर्कता और सावधानीपूर्वक निरीक्षण, व्यावहारिक अनुभव और तकनीकी ज्ञान के साथ, आवश्यक है।

विरल FDTD नामक तकनीक, डिज़ाइन को मान्य करने के लिए, एक संपूर्ण PIC डिज़ाइन पर सीधे 3D और 2D FDTD सिमुलेशन करने की अनुमति देती है। हालाँकि किसी भी विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन उपकरण के लिए बहुत बड़े पैमाने के PIC का अनुकरण करना कठिन होता है, विरल FDTD एक काफी बड़े स्थानीय क्षेत्र का अनुकरण करने में सक्षम है। पारंपरिक 3D FDTD में, सिमुलेशन एक विशिष्ट परिमाणित आयतन के भीतर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के छह घटकों को आरंभीकृत करके शुरू होता है। जैसे-जैसे समय बीतता है, आयतन में नए क्षेत्र घटक की गणना की जाती है, इत्यादि। प्रत्येक चरण में बहुत अधिक गणना की आवश्यकता होती है, इसलिए इसमें लंबा समय लगता है। विरल 3D FDTD में, आयतन के प्रत्येक बिंदु पर प्रत्येक चरण में गणना करने के बजाय, क्षेत्र घटकों की एक सूची बनाए रखी जाती है जो सैद्धांतिक रूप से एक मनमाने ढंग से बड़े आयतन के अनुरूप हो सकते हैं और केवल उन्हीं घटकों के लिए गणना की जा सकती है। प्रत्येक समय चरण में, क्षेत्र घटकों के निकटवर्ती बिंदु जोड़े जाते हैं, जबकि एक निश्चित शक्ति सीमा से नीचे के क्षेत्र घटकों को हटा दिया जाता है। कुछ संरचनाओं के लिए, यह गणना पारंपरिक 3D FDTD की तुलना में कई गुना तेज़ हो सकती है। हालाँकि, विरल FDTDS, फैलावदार संरचनाओं से निपटने में अच्छा प्रदर्शन नहीं करते क्योंकि यह समय क्षेत्र बहुत अधिक फैल जाता है, जिसके परिणामस्वरूप सूचियाँ बहुत लंबी और प्रबंधित करने में कठिन हो जाती हैं। चित्र 1, ध्रुवीकरण किरण विभाजक (PBS) के समान 3D FDTD सिमुलेशन का एक उदाहरण स्क्रीनशॉट दिखाता है।

चित्र 1: 3D विरल FDTD से सिमुलेशन परिणाम। (A) सिम्युलेटेड संरचना का शीर्ष दृश्य है, जो एक दिशात्मक युग्मक है। (B) क्वासी-TE उत्तेजन का उपयोग करके सिमुलेशन का एक स्क्रीनशॉट दिखाता है। ऊपर दिए गए दो आरेख क्वासी-TE और क्वासी-TM संकेतों का शीर्ष दृश्य दिखाते हैं, और नीचे दिए गए दो आरेख संबंधित अनुप्रस्थ काट का दृश्य दिखाते हैं। (C) क्वासी-TM उत्तेजन का उपयोग करके सिमुलेशन का एक स्क्रीनशॉट दिखाता है।