ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ రూపకల్పన

రూపకల్పనఫోటోనిక్ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్

ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లుఇంటర్ఫెరోమీటర్లలో లేదా పాత్ లెంగ్త్ కు సున్నితంగా ఉండే ఇతర అప్లికేషన్లలో పాత్ లెంగ్త్ యొక్క ప్రాముఖ్యత కారణంగా (PIC) తరచుగా గణిత స్క్రిప్ట్ ల సహాయంతో రూపొందించబడతాయి.చిత్రంబహుళ పొరలను (సాధారణంగా 10 నుండి 30) ఒక వేఫర్‌పై ప్యాటర్ చేయడం ద్వారా తయారు చేస్తారు, ఇవి తరచుగా GDSII ఫార్మాట్‌లో సూచించబడే అనేక బహుభుజ ఆకృతులతో కూడి ఉంటాయి. ఫోటోమాస్క్ తయారీదారుకు ఫైల్‌ను పంపే ముందు, డిజైన్ యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని ధృవీకరించడానికి PICని అనుకరించగలగడం చాలా అవసరం. అనుకరణ బహుళ స్థాయిలుగా విభజించబడింది: అత్యల్ప స్థాయి త్రిమితీయ విద్యుదయస్కాంత (EM) అనుకరణ, ఇక్కడ అనుకరణ ఉప-తరంగదైర్ఘ్య స్థాయిలో నిర్వహించబడుతుంది, అయితే పదార్థంలోని అణువుల మధ్య పరస్పర చర్యలు మాక్రోస్కోపిక్ స్కేల్‌లో నిర్వహించబడతాయి. సాధారణ పద్ధతులలో త్రిమితీయ పరిమిత-తేడా సమయ-డొమైన్ (3D FDTD) మరియు ఈజెన్‌మోడ్ విస్తరణ (EME) ఉన్నాయి. ఈ పద్ధతులు అత్యంత ఖచ్చితమైనవి, కానీ మొత్తం PIC అనుకరణ సమయానికి అసాధ్యమైనవి. తదుపరి స్థాయి పరిమిత-తేడా పుంజం ప్రచారం (FD-BPM) వంటి 2.5-డైమెన్షనల్ EM అనుకరణ. ఈ పద్ధతులు చాలా వేగంగా ఉంటాయి, కానీ కొంత ఖచ్చితత్వాన్ని త్యాగం చేస్తాయి మరియు పారాక్సియల్ ప్రచారాన్ని మాత్రమే నిర్వహించగలవు మరియు రెసొనేటర్‌లను అనుకరించడానికి ఉపయోగించబడవు, ఉదాహరణకు. తదుపరి స్థాయి 2D FDTD మరియు 2D BPM వంటి 2D EM సిమ్యులేషన్. ఇవి కూడా వేగవంతమైనవి, కానీ పరిమిత కార్యాచరణను కలిగి ఉంటాయి, ఎందుకంటే అవి ధ్రువణ భ్రమణ భ్రమణాలను అనుకరించలేవు. మరో స్థాయి ట్రాన్స్‌మిషన్ మరియు/లేదా స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ సిమ్యులేషన్. ప్రతి ప్రధాన భాగం ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్‌తో కూడిన భాగానికి తగ్గించబడుతుంది మరియు కనెక్ట్ చేయబడిన వేవ్‌గైడ్ దశ మార్పు మరియు అటెన్యుయేషన్ మూలకానికి తగ్గించబడుతుంది. ఈ అనుకరణలు చాలా వేగంగా ఉంటాయి. ఇన్‌పుట్ సిగ్నల్‌ను ట్రాన్స్‌మిషన్ మ్యాట్రిక్స్‌ను ఇన్‌పుట్ సిగ్నల్ ద్వారా గుణించడం ద్వారా పొందవచ్చు. స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ (దీని మూలకాలను S-పారామితులు అని పిలుస్తారు) ఒక వైపు ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్‌లను గుణించి భాగం యొక్క మరొక వైపు ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్‌లను కనుగొంటుంది. ప్రాథమికంగా, స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ మూలకం లోపల ప్రతిబింబాన్ని కలిగి ఉంటుంది. స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ సాధారణంగా ప్రతి డైమెన్షన్‌లో ట్రాన్స్‌మిషన్ మ్యాట్రిక్స్ కంటే రెండు రెట్లు పెద్దదిగా ఉంటుంది. సారాంశంలో, 3D EM నుండి ట్రాన్స్‌మిషన్/స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ సిమ్యులేషన్ వరకు, సిమ్యులేషన్ యొక్క ప్రతి పొర వేగం మరియు ఖచ్చితత్వం మధ్య ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను అందిస్తుంది మరియు డిజైనర్లు డిజైన్ ధ్రువీకరణ ప్రక్రియను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి వారి నిర్దిష్ట అవసరాల కోసం సరైన స్థాయి అనుకరణను ఎంచుకుంటారు.

అయితే, కొన్ని మూలకాల యొక్క విద్యుదయస్కాంత అనుకరణపై ఆధారపడటం మరియు మొత్తం PICని అనుకరించడానికి స్కాటరింగ్/ట్రాన్స్‌ఫర్ మ్యాట్రిక్స్‌ని ఉపయోగించడం వల్ల ఫ్లో ప్లేట్ ముందు పూర్తిగా సరైన డిజైన్ ఉంటుందని హామీ ఇవ్వదు. ఉదాహరణకు, తప్పుగా లెక్కించిన పాత్ పొడవులు, హై-ఆర్డర్ మోడ్‌లను సమర్థవంతంగా అణచివేయడంలో విఫలమయ్యే మల్టీమోడ్ వేవ్‌గైడ్‌లు లేదా ఊహించని కలపడం సమస్యలకు దారితీసే ఒకదానికొకటి దగ్గరగా ఉండే రెండు వేవ్‌గైడ్‌లు అనుకరణ సమయంలో గుర్తించబడకుండా పోయే అవకాశం ఉంది. అందువల్ల, అధునాతన సిమ్యులేషన్ సాధనాలు శక్తివంతమైన డిజైన్ ధ్రువీకరణ సామర్థ్యాలను అందించినప్పటికీ, డిజైన్ యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ధారించడానికి మరియు ఫ్లో షీట్ ప్రమాదాన్ని తగ్గించడానికి, ఆచరణాత్మక అనుభవం మరియు సాంకేతిక పరిజ్ఞానంతో కలిపి డిజైనర్ ద్వారా అధిక స్థాయి అప్రమత్తత మరియు జాగ్రత్తగా తనిఖీ అవసరం.

స్పార్స్ FDTD అని పిలువబడే ఒక సాంకేతికత, డిజైన్‌ను ధృవీకరించడానికి 3D మరియు 2D FDTD అనుకరణలను పూర్తి PIC డిజైన్‌పై నేరుగా నిర్వహించడానికి అనుమతిస్తుంది. ఏదైనా విద్యుదయస్కాంత అనుకరణ సాధనం చాలా పెద్ద స్కేల్ PICని అనుకరించడం కష్టమే అయినప్పటికీ, స్పార్స్ FDTD చాలా పెద్ద స్థానిక ప్రాంతాన్ని అనుకరించగలదు. సాంప్రదాయ 3D FDTDలో, నిర్దిష్ట క్వాంటైజ్డ్ వాల్యూమ్‌లో విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క ఆరు భాగాలను ప్రారంభించడం ద్వారా అనుకరణ ప్రారంభమవుతుంది. సమయం గడిచేకొద్దీ, వాల్యూమ్‌లోని కొత్త ఫీల్డ్ కాంపోనెంట్ లెక్కించబడుతుంది మరియు మొదలైనవి. ప్రతి దశకు చాలా గణన అవసరం, కాబట్టి దీనికి చాలా సమయం పడుతుంది. స్పార్స్ 3D FDTDలో, వాల్యూమ్‌లోని ప్రతి పాయింట్ వద్ద ప్రతి దశలో లెక్కించడానికి బదులుగా, సిద్ధాంతపరంగా ఏకపక్షంగా పెద్ద వాల్యూమ్‌కు అనుగుణంగా ఉండే ఫీల్డ్ కాంపోనెంట్‌ల జాబితా నిర్వహించబడుతుంది మరియు ఆ కాంపోనెంట్‌ల కోసం మాత్రమే లెక్కించబడుతుంది. ప్రతి సమయ దశలో, ఫీల్డ్ కాంపోనెంట్‌లకు ఆనుకుని ఉన్న పాయింట్లు జోడించబడతాయి, అయితే ఒక నిర్దిష్ట పవర్ థ్రెషోల్డ్ కంటే తక్కువ ఫీల్డ్ కాంపోనెంట్‌లు పడిపోతాయి. కొన్ని నిర్మాణాల కోసం, ఈ గణన సాంప్రదాయ 3D FDTD కంటే వేగంగా అనేక ఆర్డర్‌ల పరిమాణంలో ఉంటుంది. అయితే, డిస్పర్సివ్ నిర్మాణాలతో వ్యవహరించేటప్పుడు స్పార్స్ FDTDS బాగా పనిచేయదు ఎందుకంటే ఈసారి ఫీల్డ్ చాలా ఎక్కువగా వ్యాపిస్తుంది, ఫలితంగా జాబితాలు చాలా పొడవుగా మరియు నిర్వహించడానికి కష్టంగా ఉంటాయి. చిత్రం 1 పోలరైజేషన్ బీమ్ స్ప్లిటర్ (PBS) లాంటి 3D FDTD సిమ్యులేషన్ యొక్క ఉదాహరణ స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపిస్తుంది.

చిత్రం 1: 3D స్పార్స్ FDTD నుండి అనుకరణ ఫలితాలు. (A) అనుకరించబడుతున్న నిర్మాణం యొక్క పై వీక్షణ, ఇది దిశాత్మక కప్లర్. (B) క్వాసి-TE ఉత్తేజాన్ని ఉపయోగించి అనుకరణ యొక్క స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపుతుంది. పైన ఉన్న రెండు రేఖాచిత్రాలు క్వాసి-TE మరియు క్వాసి-TM సంకేతాల యొక్క పై వీక్షణను చూపుతాయి మరియు క్రింద ఉన్న రెండు రేఖాచిత్రాలు సంబంధిత క్రాస్-సెక్షనల్ వీక్షణను చూపుతాయి. (C) క్వాసి-TM ఉత్తేజాన్ని ఉపయోగించి అనుకరణ యొక్క స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపుతుంది.