फोटोनिक एकीकृत परिपथ डिजाइन

की डिजाइनफ़ोट्रोनिकएकीकृत परिपथ

फोटोनिक एकीकृत सर्किट(PIC) को अक्सर गणितीय लिपियों की मदद से डिज़ाइन किया जाता है क्योंकि इंटरफेरोमीटर या अन्य अनुप्रयोगों में पथ की लंबाई के महत्व के कारण जो पथ की लंबाई के प्रति संवेदनशील होते हैं।चित्रएक वेफर पर कई परतों (आमतौर पर 10 से 30) को संरक्षित करके निर्मित किया जाता है, जो कई बहुभुज आकृतियों से बना होता है, जिसे अक्सर GDSII प्रारूप में दर्शाया जाता है। फोटोमस्क निर्माता को फ़ाइल भेजने से पहले, डिजाइन की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए तस्वीर को अनुकरण करने में सक्षम होना दृढ़ता से 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 संभाला जाता है। विशिष्ट तरीकों में तीन आयामी परिमित-अंतर समय-डोमेन (3 डी एफडीटीडी) और ईजेनमोड विस्तार (ईएमई) शामिल हैं। ये विधियाँ सबसे सटीक हैं, लेकिन पूरे PIC सिमुलेशन समय के लिए अव्यवहारिक हैं। अगला स्तर 2.5-आयामी ईएम सिमुलेशन है, जैसे परिमित-अंतर बीम प्रसार (एफडी-बीपीएम)। ये विधियाँ बहुत तेज हैं, लेकिन कुछ सटीकता का त्याग करते हैं और केवल पैराक्सियल प्रसार को संभाल सकते हैं और उदाहरण के लिए, गुंजयमानकों को अनुकरण करने के लिए उपयोग नहीं किया जा सकता है। अगला स्तर 2 डी ईएम सिमुलेशन है, जैसे कि 2 डी एफडीटीडी और 2 डी बीपीएम। ये भी तेज हैं, लेकिन सीमित कार्यक्षमता है, जैसे कि वे ध्रुवीकरण रोटेटर का अनुकरण नहीं कर सकते हैं। एक और स्तर ट्रांसमिशन और/या बिखरने वाले मैट्रिक्स सिमुलेशन है। प्रत्येक प्रमुख घटक को इनपुट और आउटपुट के साथ एक घटक में कम किया जाता है, और कनेक्टेड वेवगाइड एक चरण शिफ्ट और क्षीणन तत्व के लिए कम हो जाता है। ये सिमुलेशन बहुत तेज हैं। आउटपुट सिग्नल इनपुट सिग्नल द्वारा ट्रांसमिशन मैट्रिक्स को गुणा करके प्राप्त किया जाता है। बिखरने वाले 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, बिखरने वाले मैट्रिक्स में तत्व के अंदर प्रतिबिंब होता है। बिखरने वाले मैट्रिक्स आमतौर पर प्रत्येक आयाम में ट्रांसमिशन मैट्रिक्स से दोगुना होता है। सारांश में, 3 डी ईएम से ट्रांसमिशन/स्कैटरिंग मैट्रिक्स सिमुलेशन तक, सिमुलेशन की प्रत्येक परत गति और सटीकता के बीच एक व्यापार-बंद प्रस्तुत करती है, और डिजाइनर डिजाइन सत्यापन प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सिमुलेशन के सही स्तर का चयन करते हैं।

हालांकि, कुछ तत्वों के विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन पर भरोसा करना और पूरे चित्र को अनुकरण करने के लिए एक बिखरने/स्थानांतरण मैट्रिक्स का उपयोग करना फ्लो प्लेट के सामने पूरी तरह से सही डिजाइन की गारंटी नहीं देता है। उदाहरण के लिए, मिसकॉल किए गए पथ की लंबाई, मल्टीमोड वेवगाइड्स जो उच्च-क्रम मोड को प्रभावी ढंग से दबाने में विफल होते हैं, या दो वेवगाइड्स जो एक दूसरे के बहुत करीब होते हैं, जो अप्रत्याशित युग्मन समस्याओं के लिए अग्रणी होते हैं, सिमुलेशन के दौरान अनिर्धारित होने की संभावना है। इसलिए, हालांकि उन्नत सिमुलेशन उपकरण शक्तिशाली डिजाइन सत्यापन क्षमता प्रदान करते हैं, फिर भी डिजाइनर द्वारा उच्च स्तर की सतर्कता और सावधानीपूर्वक निरीक्षण की आवश्यकता होती है, व्यावहारिक अनुभव और तकनीकी ज्ञान के साथ संयुक्त, डिजाइन की सटीकता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने और प्रवाह शीट के जोखिम को कम करने के लिए।

स्पार्स एफडीटीडी नामक एक तकनीक 3 डी और 2 डी एफडीटीडी सिमुलेशन को डिजाइन को मान्य करने के लिए एक पूर्ण पिक डिज़ाइन पर सीधे प्रदर्शन करने की अनुमति देती है। यद्यपि किसी भी विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन टूल के लिए बहुत बड़े पैमाने पर तस्वीर का अनुकरण करना मुश्किल है, लेकिन विरल एफडीटीडी काफी बड़े स्थानीय क्षेत्र का अनुकरण करने में सक्षम है। पारंपरिक 3 डी एफडीटीडी में, सिमुलेशन एक विशिष्ट मात्राबद्ध मात्रा के भीतर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के छह घटकों को आरंभ करके शुरू होता है। जैसे -जैसे समय बढ़ता है, वॉल्यूम में नया फ़ील्ड घटक की गणना की जाती है, और इसी तरह। प्रत्येक चरण में बहुत अधिक गणना की आवश्यकता होती है, इसलिए इसमें लंबा समय लगता है। विरल 3 डी एफडीटीडी में, वॉल्यूम के प्रत्येक बिंदु पर प्रत्येक चरण पर गणना करने के बजाय, क्षेत्र घटकों की एक सूची को बनाए रखा जाता है जो सैद्धांतिक रूप से एक मनमाने ढंग से बड़ी मात्रा के अनुरूप हो सकता है और केवल उन घटकों के लिए गणना की जा सकती है। प्रत्येक समय कदम पर, फील्ड घटकों से सटे हुए बिंदुओं को जोड़ा जाता है, जबकि एक निश्चित बिजली सीमा से नीचे के क्षेत्र घटकों को गिरा दिया जाता है। कुछ संरचनाओं के लिए, यह गणना पारंपरिक 3 डी एफडीटीडी की तुलना में तेजी से परिमाण के कई आदेश हो सकती है। हालांकि, स्पार्स एफडीटीडी डिस्पर्सिव संरचनाओं से निपटने के दौरान अच्छा प्रदर्शन नहीं करते हैं क्योंकि यह समय फ़ील्ड बहुत अधिक फैलता है, जिसके परिणामस्वरूप उन सूची होती है जो बहुत लंबी और प्रबंधन करने में मुश्किल होती हैं। चित्रा 1 एक ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर (पीबीएस) के समान एक 3 डी एफडीटीडी सिमुलेशन का एक उदाहरण स्क्रीनशॉट दिखाता है।

चित्रा 1: 3 डी विरल FDTD से सिमुलेशन परिणाम। (ए) संरचना का एक शीर्ष दृश्य है, जो एक दिशात्मक युग्मक है। (B) Quasi-Te उत्तेजना का उपयोग करके एक सिमुलेशन का स्क्रीनशॉट दिखाता है। ऊपर दिए गए दो आरेख अर्ध-ते और अर्ध-टीएम सिग्नल के शीर्ष दृश्य को दिखाते हैं, और नीचे दिए गए दो आरेख संबंधित क्रॉस-सेक्शनल दृश्य दिखाते हैं। (C) Quasi-TM उत्तेजना का उपयोग करके एक सिमुलेशन का स्क्रीनशॉट दिखाता है।