การออกแบบวงจรรวมโฟตอนิกส์

การออกแบบของโฟตอนิควงจรรวม

วงจรรวมโฟตอนิกส์(PIC) มักออกแบบด้วยความช่วยเหลือของสคริปต์ทางคณิตศาสตร์ เนื่องจากความสำคัญของความยาวเส้นทางในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์หรือแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่มีความอ่อนไหวต่อความยาวเส้นทางรูปภาพผลิตโดยการวางรูปแบบหลายชั้น (โดยทั่วไปคือ 10 ถึง 30) บนเวเฟอร์ ซึ่งประกอบด้วยรูปทรงหลายเหลี่ยมจำนวนมาก มักแสดงในรูปแบบ GDSII ก่อนที่จะส่งไฟล์ไปยังผู้ผลิตหน้ากากภาพ ขอแนะนำให้จำลอง PIC เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ การจำลองแบ่งออกเป็นหลายระดับ ระดับต่ำสุดคือการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าสามมิติ (EM) ซึ่งการจำลองจะดำเนินการในระดับความยาวคลื่นย่อย แม้ว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมในวัสดุจะได้รับการจัดการในระดับมหภาค วิธีการทั่วไป ได้แก่ โดเมนเวลาความแตกต่างจำกัดสามมิติ (3D FDTD) และการขยายโหมดเฉพาะ (EME) วิธีการเหล่านี้มีความแม่นยำที่สุด แต่ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงสำหรับเวลาจำลอง PIC ทั้งหมด ระดับถัดไปคือการจำลอง EM 2.5 มิติ เช่น การแพร่กระจายลำแสงความแตกต่างจำกัด (FD-BPM) วิธีการเหล่านี้เร็วกว่ามาก แต่จะต้องแลกกับความแม่นยำบางส่วน และสามารถจัดการการแพร่กระจายแบบพาราแอกเซียลได้เท่านั้น และไม่สามารถใช้จำลองเรโซเนเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น ระดับถัดไปคือการจำลองคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 2 มิติ เช่น FDTD 2 มิติและ BPM 2 มิติ วิธีการเหล่านี้เร็วกว่าเช่นกัน แต่มีฟังก์ชันการทำงานที่จำกัด เช่น ไม่สามารถจำลองโรเตเตอร์โพลาไรเซชันได้ ระดับถัดไปคือการจำลองเมทริกซ์การส่งและ/หรือการกระเจิง แต่ละส่วนประกอบหลักจะลดขนาดลงเหลือส่วนประกอบที่มีอินพุตและเอาต์พุต และท่อนำคลื่นที่เชื่อมต่อจะลดขนาดลงเหลือองค์ประกอบการเลื่อนเฟสและการลดทอน การจำลองเหล่านี้รวดเร็วมาก สัญญาณเอาต์พุตได้มาจากการคูณเมทริกซ์การส่งด้วยสัญญาณอินพุต เมทริกซ์การกระเจิง (ซึ่งองค์ประกอบเรียกว่าพารามิเตอร์ S) จะคูณสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ด้านหนึ่งเพื่อค้นหาสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ด้านอื่นของส่วนประกอบ โดยพื้นฐานแล้ว เมทริกซ์การกระเจิงประกอบด้วยการสะท้อนภายในองค์ประกอบ เมทริกซ์การกระเจิงมักจะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของเมทริกซ์การส่งในแต่ละมิติ โดยสรุป จากการจำลอง EM สามมิติไปจนถึงการจำลองเมทริกซ์การส่งผ่าน/การกระเจิง แต่ละชั้นของการจำลองนั้นมีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างความเร็วและความแม่นยำ และนักออกแบบจะเลือกระดับการจำลองที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของตนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการตรวจสอบการออกแบบ

อย่างไรก็ตาม การพึ่งพาการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าขององค์ประกอบบางอย่างและการใช้เมทริกซ์การกระเจิง/ถ่ายโอนเพื่อจำลอง PIC ทั้งหมดไม่ได้รับประกันว่าการออกแบบด้านหน้าของแผ่นการไหลจะถูกต้องสมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น ความยาวเส้นทางที่คำนวณผิด ท่อนำคลื่นแบบหลายโหมดที่ไม่สามารถระงับโหมดลำดับสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือท่อนำคลื่นสองท่อที่อยู่ใกล้กันเกินไปซึ่งนำไปสู่ปัญหาการเชื่อมต่อที่ไม่คาดคิด มีแนวโน้มที่จะไม่ถูกตรวจพบในระหว่างการจำลอง ดังนั้น แม้ว่าเครื่องมือจำลองขั้นสูงจะมีความสามารถในการตรวจสอบการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ แต่ก็ยังคงต้องใช้ความระมัดระวังในระดับสูงและตรวจสอบอย่างรอบคอบโดยผู้ออกแบบ ร่วมกับประสบการณ์จริงและความรู้ทางเทคนิค เพื่อให้แน่ใจถึงความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของการออกแบบและลดความเสี่ยงของแผ่นการไหล

เทคนิคที่เรียกว่า FDTD แบบเบาบางช่วยให้สามารถจำลอง FDTD แบบ 3 มิติและ 2 มิติได้โดยตรงบนการออกแบบ PIC ที่สมบูรณ์เพื่อตรวจสอบการออกแบบ แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากสำหรับเครื่องมือจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ ที่จะจำลอง PIC ขนาดใหญ่ได้ แต่ FDTD แบบเบาบางสามารถจำลองพื้นที่ท้องถิ่นที่ค่อนข้างใหญ่ได้ ใน FDTD แบบ 3 มิติแบบดั้งเดิม การจำลองจะเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นองค์ประกอบทั้งหกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในปริมาตรที่ถูกวัดปริมาณที่เฉพาะเจาะจง เมื่อเวลาผ่านไป องค์ประกอบสนามใหม่ในปริมาตรจะถูกคำนวณ และอื่นๆ แต่ละขั้นตอนต้องใช้การคำนวณจำนวนมาก ดังนั้นจึงใช้เวลานาน ใน FDTD แบบ 3 มิติแบบเบาบาง แทนที่จะคำนวณในแต่ละขั้นตอนที่แต่ละจุดของปริมาตร จะมีการรักษารายการองค์ประกอบสนามที่สามารถสอดคล้องกับปริมาตรขนาดใหญ่โดยพลการได้ และจะคำนวณได้เฉพาะองค์ประกอบเหล่านั้นเท่านั้น ในแต่ละขั้นตอนเวลา จุดที่อยู่ติดกับองค์ประกอบสนามจะถูกเพิ่มเข้ามา ในขณะที่องค์ประกอบสนามที่ต่ำกว่าเกณฑ์กำลังงานที่กำหนดจะถูกลบออกไป สำหรับโครงสร้างบางประเภท การคำนวณนี้อาจเร็วกว่า 3D FDTD แบบดั้งเดิมหลายเท่า อย่างไรก็ตาม FDTDS แบบกระจัดกระจายนั้นทำงานได้ไม่ดีนักเมื่อต้องจัดการกับโครงสร้างแบบกระจาย เนื่องจากฟิลด์เวลาจะกระจายตัวมากเกินไป ส่งผลให้รายการยาวเกินไปและจัดการได้ยาก รูปที่ 1 แสดงภาพหน้าจอตัวอย่างของการจำลอง 3D FDTD ที่คล้ายกับตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน (PBS)

รูปที่ 1: ผลการจำลองจาก FDTD แบบเบาบาง 3 มิติ (A) เป็นมุมมองด้านบนของโครงสร้างที่กำลังจำลอง ซึ่งเป็นตัวเชื่อมทิศทาง (B) แสดงภาพหน้าจอการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบ TE เสมือน ไดอะแกรมทั้งสองด้านบนแสดงมุมมองด้านบนของสัญญาณแบบ TE เสมือนและแบบ TM เสมือน และไดอะแกรมทั้งสองด้านล่างแสดงมุมมองหน้าตัดที่สอดคล้องกัน (C) แสดงภาพหน้าจอการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบ TM เสมือน