การออกแบบวงจรรวมโฟโตนิก

การออกแบบของโทนิควงจรรวม

วงจรรวมโฟโตนิก(PIC) มักได้รับการออกแบบโดยใช้สคริปต์ทางคณิตศาสตร์ช่วย เนื่องจากความสำคัญของความยาวเส้นทางในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์หรือการใช้งานอื่นๆ ที่ไวต่อความยาวเส้นทางรูปผลิตขึ้นโดยการปาดหลายชั้น (โดยทั่วไปคือ 10 ถึง 30) บนเวเฟอร์ซึ่งประกอบด้วยรูปทรงหลายเหลี่ยมหลายเหลี่ยม ซึ่งมักแสดงในรูปแบบ GDSII ก่อนที่จะส่งไฟล์ไปยังผู้ผลิตโฟโตมาสก์ ขอแนะนำอย่างยิ่งให้สามารถจำลอง PIC เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบได้ การจำลองแบ่งออกเป็นหลายระดับ: ระดับต่ำสุดคือการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าสามมิติ (EM) โดยที่การจำลองจะดำเนินการที่ระดับความยาวคลื่นย่อย แม้ว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมในวัสดุจะได้รับการจัดการในระดับมหภาคก็ตาม วิธีการทั่วไปรวมถึงโดเมนเวลาผลต่างอันจำกัดสามมิติ (3D FDTD) และการขยายโหมดไอเกน (EME) วิธีการเหล่านี้มีความแม่นยำที่สุด แต่ไม่สามารถทำได้ตลอดการจำลอง PIC ระดับถัดไปคือการจำลอง EM 2.5 มิติ เช่น การแพร่กระจายลำแสงผลต่างอันจำกัด (FD-BPM) วิธีการเหล่านี้เร็วกว่ามาก แต่ต้องแลกกับความแม่นยำบางส่วนและสามารถจัดการได้เฉพาะการแพร่กระจายแบบพาราแอกเชียลเท่านั้น และไม่สามารถใช้จำลองเครื่องสะท้อนเสียงได้ เป็นต้น ระดับต่อไปคือการจำลอง 2D EM เช่น 2D FDTD และ 2D BPM สิ่งเหล่านี้ยังเร็วกว่า แต่มีฟังก์ชันการทำงานที่จำกัด เช่น ไม่สามารถจำลองโรเตเตอร์โพลาไรเซชันได้ อีกระดับหนึ่งคือการจำลองเมทริกซ์การส่งผ่านและ/หรือการกระจาย ส่วนประกอบหลักแต่ละชิ้นจะถูกลดขนาดเป็นส่วนประกอบที่มีอินพุตและเอาต์พุต และท่อนำคลื่นที่เชื่อมต่ออยู่จะลดลงเหลือองค์ประกอบการเปลี่ยนเฟสและการลดทอน การจำลองเหล่านี้รวดเร็วมาก สัญญาณเอาท์พุตได้มาจากการคูณเมทริกซ์การส่งผ่านด้วยสัญญาณอินพุต เมทริกซ์กระเจิง (ซึ่งมีองค์ประกอบเรียกว่าพารามิเตอร์ S) จะคูณสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ด้านหนึ่งเพื่อค้นหาสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่อีกด้านหนึ่งของส่วนประกอบ โดยพื้นฐานแล้ว เมทริกซ์การกระเจิงประกอบด้วยการสะท้อนภายในองค์ประกอบ โดยทั่วไปเมทริกซ์การกระเจิงจะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของเมทริกซ์การส่งผ่านในแต่ละมิติ โดยสรุป ตั้งแต่ 3D EM ไปจนถึงการจำลองเมทริกซ์การส่งผ่าน/การกระเจิง แต่ละเลเยอร์ของการจำลองจะนำเสนอการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วและความแม่นยำ และนักออกแบบจะเลือกระดับการจำลองที่เหมาะสมสำหรับความต้องการเฉพาะของตนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการตรวจสอบการออกแบบ

อย่างไรก็ตาม การอาศัยการจำลองทางแม่เหล็กไฟฟ้าขององค์ประกอบบางอย่างและการใช้เมทริกซ์การกระเจิง/การถ่ายโอนเพื่อจำลอง PIC ทั้งหมดไม่ได้รับประกันการออกแบบที่ถูกต้องอย่างสมบูรณ์ที่ด้านหน้าของแผ่นไหล ตัวอย่างเช่น ความยาวเส้นทางที่คำนวณผิด ท่อนำคลื่นแบบหลายโหมดที่ไม่สามารถระงับโหมดลำดับสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือท่อนำคลื่นสองตัวที่อยู่ใกล้กันเกินไปซึ่งนำไปสู่ปัญหาการมีเพศสัมพันธ์ที่ไม่คาดคิด มีแนวโน้มที่จะไม่ถูกตรวจจับในระหว่างการจำลอง ดังนั้น แม้ว่าเครื่องมือจำลองขั้นสูงจะให้ความสามารถในการตรวจสอบการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ แต่ก็ยังต้องการความระมัดระวังในระดับสูงและการตรวจสอบอย่างรอบคอบโดยนักออกแบบ รวมกับประสบการณ์จริงและความรู้ทางเทคนิค เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการออกแบบ และลดความเสี่ยงของ แผ่นไหล

เทคนิคที่เรียกว่า sparse FDTD ช่วยให้สามารถจำลอง 3D และ 2D FDTD ได้โดยตรงบนการออกแบบ PIC ที่สมบูรณ์เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากสำหรับเครื่องมือจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าในการจำลอง PIC ขนาดใหญ่มาก แต่ FDTD แบบกระจัดกระจายสามารถจำลองพื้นที่ท้องถิ่นที่ค่อนข้างใหญ่ได้ ในแบบ 3D FDTD แบบดั้งเดิม การจำลองจะเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นองค์ประกอบทั้งหกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในปริมาตรเชิงปริมาณเฉพาะ เมื่อเวลาผ่านไป ส่วนประกอบฟิลด์ใหม่ในไดรฟ์ข้อมูลจะถูกคำนวณ และอื่นๆ แต่ละขั้นตอนต้องใช้การคำนวณมากจึงใช้เวลานาน ใน 3D FDTD แบบกระจาย แทนที่จะคำนวณในแต่ละขั้นตอนในแต่ละจุดของปริมาตร รายการส่วนประกอบของฟิลด์จะยังคงอยู่ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถสอดคล้องกับปริมาตรขนาดใหญ่ตามอำเภอใจ และคำนวณได้สำหรับส่วนประกอบเหล่านั้นเท่านั้น ในแต่ละขั้นตอน จะมีการเพิ่มจุดที่อยู่ติดกับส่วนประกอบของฟิลด์ ในขณะที่ส่วนประกอบของฟิลด์ที่ต่ำกว่าเกณฑ์พลังงานที่กำหนดจะลดลง สำหรับโครงสร้างบางส่วน การคำนวณนี้อาจเร็วกว่า 3D FDTD แบบเดิมได้หลายระดับ อย่างไรก็ตาม FDTDS แบบกระจัดกระจายทำงานได้ไม่ดีเมื่อต้องรับมือกับโครงสร้างแบบกระจาย เนื่องจากฟิลด์เวลานี้กระจายมากเกินไป ส่งผลให้รายการที่ยาวเกินไปและยากต่อการจัดการ รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างภาพหน้าจอของการจำลอง 3D FDTD ที่คล้ายกับตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน (PBS)

รูปที่ 1: ผลการจำลองจาก FDTD แบบกระจัดกระจาย 3 มิติ (A) เป็นมุมมองด้านบนของโครงสร้างที่กำลังจำลอง ซึ่งเป็นตัวต่อทิศทาง (B) แสดงภาพหน้าจอของการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบ quasi-TE แผนภาพทั้งสองด้านบนแสดงมุมมองด้านบนของสัญญาณ quasi-TE และ quasi-TM และทั้งสองแผนภาพด้านล่างแสดงมุมมองภาคตัดขวางที่สอดคล้องกัน (C) แสดงภาพหน้าจอของการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบ quasi-TM