ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ రూపకల్పన

డిజైన్ఫోటోనిక్ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్

ఫోటోనిక్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లుఇంటర్‌ఫెరోమీటర్లలో లేదా మార్గ పొడవుకు సున్నితంగా ఉండే ఇతర అనువర్తనాలలో మార్గ పొడవుకు ఉన్న ప్రాముఖ్యత కారణంగా, (PIC)లను తరచుగా గణిత స్క్రిప్ట్‌ల సహాయంతో రూపొందిస్తారు.చిత్రంఒక వేఫర్‌పై బహుళ పొరలను (సాధారణంగా 10 నుండి 30) అమర్చడం ద్వారా దీనిని తయారు చేస్తారు, ఇవి అనేక బహుభుజి ఆకారాలతో కూడి ఉంటాయి, తరచుగా GDSII ఫార్మాట్‌లో సూచించబడతాయి. ఫైల్‌ను ఫోటోమాస్క్ తయారీదారుకు పంపే ముందు, డిజైన్ యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని ధృవీకరించడానికి PICని సిమ్యులేట్ చేయగలగడం చాలా అవసరం. ఈ సిమ్యులేషన్ బహుళ స్థాయిలుగా విభజించబడింది: అత్యల్ప స్థాయి త్రిమితీయ విద్యుదయస్కాంత (EM) సిమ్యులేషన్, ఇక్కడ సిమ్యులేషన్ ఉప-తరంగదైర్ఘ్య స్థాయిలో నిర్వహించబడుతుంది, అయినప్పటికీ పదార్థంలోని అణువుల మధ్య పరస్పర చర్యలు స్థూల స్థాయిలో నిర్వహించబడతాయి. సాధారణ పద్ధతులలో త్రిమితీయ ఫైనైట్-డిఫరెన్స్ టైమ్-డొమైన్ (3D FDTD) మరియు ఐగెన్‌మోడ్ ఎక్స్‌పాన్షన్ (EME) ఉన్నాయి. ఈ పద్ధతులు అత్యంత ఖచ్చితమైనవి, కానీ మొత్తం PIC సిమ్యులేషన్ సమయానికి ఆచరణ సాధ్యం కాదు. తదుపరి స్థాయి 2.5-డైమెన్షనల్ EM సిమ్యులేషన్, ఉదాహరణకు ఫైనైట్-డిఫరెన్స్ బీమ్ ప్రొపగేషన్ (FD-BPM). ఈ పద్ధతులు చాలా వేగవంతమైనవి, కానీ కొంత కచ్చితత్వాన్ని కోల్పోతాయి మరియు పారాక్సియల్ ప్రచారాన్ని మాత్రమే నిర్వహించగలవు, ఉదాహరణకు, రెసొనేటర్లను అనుకరించడానికి వీటిని ఉపయోగించలేము. తదుపరి స్థాయి 2D EM అనుకరణ, అంటే 2D FDTD మరియు 2D BPM. ఇవి కూడా వేగవంతమైనవే, కానీ పరిమిత కార్యాచరణను కలిగి ఉంటాయి, ఉదాహరణకు, ఇవి పోలరైజేషన్ రోటేటర్లను అనుకరించలేవు. ఇంకొక స్థాయి ట్రాన్స్‌మిషన్ మరియు/లేదా స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ అనుకరణ. ప్రతి ప్రధాన కాంపోనెంట్ ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్‌తో కూడిన ఒక కాంపోనెంట్‌గా కుదించబడుతుంది, మరియు దానికి అనుసంధానించబడిన వేవ్‌గైడ్ ఒక ఫేజ్ షిఫ్ట్ మరియు అటెన్యుయేషన్ ఎలిమెంట్‌గా కుదించబడుతుంది. ఈ అనుకరణలు అత్యంత వేగవంతమైనవి. ట్రాన్స్‌మిషన్ మ్యాట్రిక్స్‌ను ఇన్‌పుట్ సిగ్నల్‌తో గుణించడం ద్వారా అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్ పొందబడుతుంది. స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ (దీని ఎలిమెంట్లను S-పారామీటర్లు అంటారు) కాంపోనెంట్ యొక్క ఒక వైపున ఉన్న ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్‌లను గుణించి, మరొక వైపున ఉన్న ఇన్‌పుట్ మరియు అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్‌లను కనుగొంటుంది. ప్రాథమికంగా, స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ ఎలిమెంట్ లోపల ప్రతిబింబాన్ని కలిగి ఉంటుంది. స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ సాధారణంగా ప్రతి డైమెన్షన్‌లో ట్రాన్స్‌మిషన్ మ్యాట్రిక్స్ కంటే రెండింతలు పెద్దదిగా ఉంటుంది. సంక్షిప్తంగా చెప్పాలంటే, 3D EM నుండి ట్రాన్స్‌మిషన్/స్కాటరింగ్ మ్యాట్రిక్స్ సిమ్యులేషన్ వరకు, సిమ్యులేషన్‌లోని ప్రతి దశ వేగం మరియు కచ్చితత్వం మధ్య ఒక రాజీని సూచిస్తుంది, మరియు డిజైనర్లు డిజైన్ ధ్రువీకరణ ప్రక్రియను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి వారి నిర్దిష్ట అవసరాలకు తగిన సిమ్యులేషన్ స్థాయిని ఎంచుకుంటారు.

అయితే, కొన్ని మూలకాల విద్యుదయస్కాంత అనుకరణపై ఆధారపడటం మరియు మొత్తం PICని అనుకరించడానికి స్కాటరింగ్/ట్రాన్స్‌ఫర్ మ్యాట్రిక్స్‌ను ఉపయోగించడం వల్ల ఫ్లో ప్లేట్ ముందు పూర్తిగా సరైన డిజైన్‌కు హామీ లభించదు. ఉదాహరణకు, తప్పుగా లెక్కించిన మార్గ పొడవులు, ఉన్నత-క్రమ మోడ్‌లను సమర్థవంతంగా అణచివేయడంలో విఫలమయ్యే మల్టీమోడ్ వేవ్‌గైడ్‌లు, లేదా ఊహించని కప్లింగ్ సమస్యలకు దారితీసే విధంగా ఒకదానికొకటి చాలా దగ్గరగా ఉన్న రెండు వేవ్‌గైడ్‌లు వంటివి అనుకరణ సమయంలో గుర్తించబడకుండా పోయే అవకాశం ఉంది. అందువల్ల, అధునాతన అనుకరణ సాధనాలు శక్తివంతమైన డిజైన్ ధ్రువీకరణ సామర్థ్యాలను అందించినప్పటికీ, డిజైన్ యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ధారించడానికి, మరియు ఫ్లో షీట్ ప్రమాదాన్ని తగ్గించడానికి, ఆచరణాత్మక అనుభవం మరియు సాంకేతిక పరిజ్ఞానంతో పాటు, డిజైనర్ ద్వారా అధిక స్థాయి అప్రమత్తత మరియు జాగ్రత్తతో కూడిన తనిఖీ ఇప్పటికీ అవసరం.

స్పార్స్ FDTD అనే ఒక టెక్నిక్, డిజైన్‌ను ధృవీకరించడానికి పూర్తి PIC డిజైన్‌పై నేరుగా 3D మరియు 2D FDTD సిమ్యులేషన్‌లను నిర్వహించడానికి అనుమతిస్తుంది. చాలా పెద్ద స్థాయి PICని సిమ్యులేట్ చేయడం ఏ విద్యుదయస్కాంత సిమ్యులేషన్ సాధనానికైనా కష్టమైనప్పటికీ, స్పార్స్ FDTD చాలా పెద్ద స్థానిక ప్రాంతాన్ని సిమ్యులేట్ చేయగలదు. సాంప్రదాయ 3D FDTDలో, ఒక నిర్దిష్ట క్వాంటైజ్డ్ వాల్యూమ్‌లోని విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క ఆరు భాగాలను ప్రారంభించడం ద్వారా సిమ్యులేషన్ మొదలవుతుంది. సమయం గడిచేకొద్దీ, వాల్యూమ్‌లోని కొత్త క్షేత్ర భాగం లెక్కించబడుతుంది, మరియు ఈ ప్రక్రియ కొనసాగుతుంది. ప్రతి దశకు చాలా గణన అవసరం, కాబట్టి దీనికి ఎక్కువ సమయం పడుతుంది. స్పార్స్ 3D FDTDలో, వాల్యూమ్‌లోని ప్రతి పాయింట్ వద్ద ప్రతి దశలో లెక్కించడానికి బదులుగా, సిద్ధాంతపరంగా ఎంత పెద్ద వాల్యూమ్‌కైనా అనుగుణంగా ఉండే క్షేత్ర భాగాల జాబితా నిర్వహించబడుతుంది మరియు ఆ భాగాల కోసం మాత్రమే లెక్కించబడుతుంది. ప్రతి టైమ్ స్టెప్‌లో, క్షేత్ర భాగాలకు ఆనుకొని ఉన్న పాయింట్లు జోడించబడతాయి, అయితే ఒక నిర్దిష్ట పవర్ థ్రెషోల్డ్ కంటే తక్కువ ఉన్న క్షేత్ర భాగాలు తొలగించబడతాయి. కొన్ని నిర్మాణాలకు, ఈ గణన సాంప్రదాయ 3D FDTD కంటే అనేక రెట్లు వేగంగా ఉంటుంది. అయితే, విరళ FDTDSలు విక్షేప నిర్మాణాలతో వ్యవహరించేటప్పుడు సరిగ్గా పనిచేయవు, ఎందుకంటే ఈ టైమ్ ఫీల్డ్ చాలా ఎక్కువగా విస్తరిస్తుంది, ఫలితంగా జాబితాలు చాలా పొడవుగా మరియు నిర్వహించడానికి కష్టంగా మారతాయి. పటం 1, పోలరైజేషన్ బీమ్ స్ప్లిటర్ (PBS)ను పోలిన ఒక 3D FDTD సిమ్యులేషన్ యొక్క ఉదాహరణ స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపిస్తుంది.

పటం 1: 3D స్పార్స్ FDTD నుండి సిమ్యులేషన్ ఫలితాలు. (A) సిమ్యులేట్ చేయబడుతున్న నిర్మాణం యొక్క పై నుండి చూసే దృశ్యం, ఇది ఒక డైరెక్షనల్ కప్లర్. (B) క్వాసీ-TE ఎక్సైటేషన్‌ను ఉపయోగించి చేసిన సిమ్యులేషన్ యొక్క స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపుతుంది. పైన ఉన్న రెండు రేఖాచిత్రాలు క్వాసీ-TE మరియు క్వాసీ-TM సిగ్నల్స్ యొక్క పై నుండి చూసే దృశ్యాన్ని చూపుతాయి, మరియు కింద ఉన్న రెండు రేఖాచిత్రాలు వాటికి సంబంధించిన క్రాస్-సెక్షనల్ దృశ్యాన్ని చూపుతాయి. (C) క్వాసీ-TM ఎక్సైటేషన్‌ను ఉపయోగించి చేసిన సిమ్యులేషన్ యొక్క స్క్రీన్‌షాట్‌ను చూపుతుంది.