फोटोनिक एकीकृत सर्किट का डिज़ाइन

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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 पैटर्न करके निर्मित किया जाता है, जो कई बहुभुज आकृतियों से बने होते हैं, जिन्हें अक्सर GDSII प्रारूप में दर्शाया जाता है। फ़ाइल को फोटोमास्क निर्माता को भेजने से पहले, डिज़ाइन की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए PIC को सिम्युलेट करने में सक्षम होना अत्यधिक वांछनीय है। सिमुलेशन को कई स्तरों में विभाजित किया गया है: सबसे निचला स्तर त्रि-आयामी विद्युत चुम्बकीय (EM) सिमुलेशन है, जहां सिमुलेशन उप-तरंग दैर्ध्य स्तर पर किया जाता है, हालांकि सामग्री में परमाणुओं के बीच की बातचीत को मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर नियंत्रित किया जाता है। विशिष्ट तरीकों में त्रि-आयामी परिमित-अंतर समय-डोमेन (3D FDTD) और आइजेनमोड विस्तार (EME) शामिल हैं। ये विधियां सबसे सटीक हैं, लेकिन पूरे PIC 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 को 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 हैं। एक और स्तर ट्रांसमिशन और/या स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन है। प्रत्येक प्रमुख घटक को इनपुट और आउटपुट वाले घटक में घटा दिया जाता है, और कनेक्टेड वेवगाइड को चरण बदलाव 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 एस-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 डिजाइनर डिजाइन सत्यापन प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सिमुलेशन का सही स्तर चुनते हैं।

हालांकि, कुछ तत्वों के विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन पर निर्भर रहना और संपूर्ण PIC का अनुकरण करने के लिए एक बिखराव/स्थानांतरण मैट्रिक्स का उपयोग करना प्रवाह प्लेट के सामने पूरी तरह से सही डिज़ाइन की गारंटी नहीं देता है। उदाहरण के लिए, गलत तरीके से 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 होती हैं, सिमुलेशन के दौरान पता नहीं चल पाती हैं। इसलिए, हालांकि उन्नत सिमुलेशन उपकरण शक्तिशाली डिजाइन सत्यापन क्षमताएं प्रदान करते हैं, फिर भी डिजाइन की सटीकता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने और फ्लो शीट के 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।

स्पर्स FDTD नामक तकनीक 3D और 2D FDTD सिमुलेशन को डिज़ाइन को मान्य करने के लिए एक पूर्ण PIC डिज़ाइन पर सीधे निष्पादित करने की अनुमति देती है। हालाँकि किसी भी विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन उपकरण के लिए बहुत बड़े पैमाने पर PIC का अनुकरण करना मुश्किल है, स्पर्स 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 आरंभ करके शुरू होता है। जैसे-जैसे समय आगे बढ़ता है, आयतन में नए क्षेत्र घटक की गणना की जाती है, और इसी तरह। प्रत्येक चरण में बहुत अधिक गणना की आवश्यकता होती है, इसलिए इसमें बहुत समय लगता है। स्पर्स 3D FDTD में, आयतन के प्रत्येक बिंदु पर प्रत्येक चरण पर गणना करने के बजाय, क्षेत्र घटकों की एक सूची बनाए रखी जाती है जो सैद्धांतिक रूप से मनमाने ढंग से बड़े आयतन के अनुरूप हो सकती है और केवल उन घटकों के लिए गणना की जा सकती है। प्रत्येक समय चरण में, क्षेत्र घटकों के समीपवर्ती 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 अधिक तेज़ हो सकती है। हालाँकि, विरल FDTDS फैलाव संरचनाओं से निपटने के दौरान अच्छा प्रदर्शन नहीं करते हैं क्योंकि यह समय क्षेत्र बहुत अधिक फैलता है, जिसके परिणामस्वरूप सूचियाँ बहुत लंबी होती हैं और उन्हें प्रबंधित करना मुश्किल होता है। चित्र 1 एक ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (PBS) के समान 3D FDTD सिमुलेशन का एक उदाहरण स्क्रीनशॉट दिखाता है।

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