การออกแบบวงจรรวมโทนิค

การออกแบบโทนิควงจรรวม

วงจรรวมโทนิค(PIC) มักได้รับการออกแบบด้วยความช่วยเหลือของสคริปต์ทางคณิตศาสตร์เนื่องจากความสำคัญของความยาวเส้นทางในเครื่องวัดความยาวหรือแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่มีความไวต่อความยาวเส้นทางรูปถ่ายถูกผลิตโดยการทำหลายชั้น (โดยทั่วไป 10 ถึง 30) บนเวเฟอร์ซึ่งประกอบด้วยรูปร่างหลายเหลี่ยมหลายรูปแบบซึ่งมักจะแสดงในรูปแบบ GDSII ก่อนที่จะส่งไฟล์ไปยังผู้ผลิต Photomask เป็นที่พึงปรารถนาอย่างยิ่งที่จะสามารถจำลอง PIC เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ การจำลองถูกแบ่งออกเป็นหลายระดับ: ระดับต่ำสุดคือการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าสามมิติ (EM) ซึ่งการจำลองจะดำเนินการในระดับความยาวคลื่นย่อยแม้ว่าการโต้ตอบระหว่างอะตอมในวัสดุจะถูกจัดการในระดับมหภาค วิธีการทั่วไปรวมถึงโดเมนเวลา จำกัด สามมิติ (3D FDTD) และการขยาย EigenMode (EME) วิธีการเหล่านี้มีความแม่นยำมากที่สุด แต่ไม่สามารถใช้งานได้ตลอดเวลาการจำลอง PIC ทั้งหมด ระดับถัดไปคือการจำลอง EM 2.5 มิติเช่นการแพร่กระจายลำแสงที่มีความแตกต่างกันอย่าง จำกัด (FD-BPM) วิธีการเหล่านี้เร็วกว่ามาก แต่เสียสละความแม่นยำบางอย่างและสามารถจัดการกับการแพร่กระจายของ paraxial เท่านั้นและไม่สามารถใช้เพื่อจำลองเรโซเนเตอร์ได้เช่น ระดับถัดไปคือการจำลอง 2D EM เช่น 2D FDTD และ 2D BPM สิ่งเหล่านี้เร็วกว่า แต่มีฟังก์ชั่นที่ จำกัด เช่นพวกเขาไม่สามารถจำลองการหมุนของโพลาไรเซชันได้ ระดับเพิ่มเติมคือการส่งและ/หรือการจำลองเมทริกซ์การกระเจิง แต่ละองค์ประกอบหลักจะลดลงเป็นส่วนประกอบที่มีอินพุตและเอาต์พุตและท่อนำคลื่นที่เชื่อมต่อจะลดลงเป็นการเปลี่ยนเฟสและองค์ประกอบการลดทอน การจำลองเหล่านี้เร็วมาก สัญญาณเอาต์พุตได้มาจากการคูณเมทริกซ์การส่งสัญญาณด้วยสัญญาณอินพุต เมทริกซ์การกระเจิง (ซึ่งองค์ประกอบที่เรียกว่า S-parameters) ทวีคูณสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่ด้านหนึ่งเพื่อค้นหาสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่อีกด้านหนึ่งของส่วนประกอบ โดยพื้นฐานแล้วเมทริกซ์การกระเจิงมีการสะท้อนภายในองค์ประกอบ เมทริกซ์การกระเจิงมักจะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของเมทริกซ์การส่งสัญญาณในแต่ละมิติ โดยสรุปจาก 3D EM ไปจนถึงการจำลองการส่ง/การกระเจิงเมทริกซ์แต่ละชั้นของการจำลองแสดงการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วและความแม่นยำและนักออกแบบเลือกระดับที่เหมาะสมของการจำลองสำหรับความต้องการเฉพาะของพวกเขาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการตรวจสอบการออกแบบ

อย่างไรก็ตามการอาศัยการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าขององค์ประกอบบางอย่างและการใช้เมทริกซ์การกระเจิง/การถ่ายโอนเพื่อจำลองรูปทั้งหมดไม่รับประกันการออกแบบที่ถูกต้องอย่างสมบูรณ์ในด้านหน้าของแผ่นไหล ตัวอย่างเช่นความยาวเส้นทางที่ผิดพลาดท่อนำคลื่นหลายโหมดที่ไม่สามารถยับยั้งโหมดลำดับสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือท่อนำคลื่นสองตัวที่อยู่ใกล้กันมากเกินไปซึ่งนำไปสู่ปัญหาการมีเพศสัมพันธ์ที่ไม่คาดคิดมีแนวโน้มที่จะตรวจไม่พบในระหว่างการจำลอง ดังนั้นแม้ว่าเครื่องมือจำลองการจำลองขั้นสูงจะให้ความสามารถในการตรวจสอบการออกแบบที่มีประสิทธิภาพ แต่ก็ยังต้องใช้ความระมัดระวังในระดับสูงและการตรวจสอบอย่างระมัดระวังโดยนักออกแบบรวมกับประสบการณ์จริงและความรู้ด้านเทคนิคเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการออกแบบและลดความเสี่ยงของแผ่นไหล

เทคนิคที่เรียกว่า Sparse FDTD ช่วยให้การจำลอง FDTD 3D และ 2D สามารถดำเนินการได้โดยตรงในการออกแบบ PIC ที่สมบูรณ์เพื่อตรวจสอบการออกแบบ แม้ว่ามันจะเป็นเรื่องยากสำหรับเครื่องมือจำลองแม่เหล็กไฟฟ้าใด ๆ ในการจำลองรูปขนาดใหญ่มาก แต่ FDTD แบบเบาบางก็สามารถจำลองพื้นที่ท้องถิ่นที่ค่อนข้างใหญ่พอสมควร ใน 3D FDTD แบบดั้งเดิมการจำลองเริ่มต้นด้วยการเริ่มต้นส่วนประกอบหกส่วนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในปริมาตรเชิงปริมาณที่เฉพาะเจาะจง เมื่อเวลาผ่านไปองค์ประกอบของฟิลด์ใหม่ในระดับเสียงจะถูกคำนวณและอื่น ๆ แต่ละขั้นตอนต้องใช้การคำนวณจำนวนมากดังนั้นจึงใช้เวลานาน ใน FDTD 3D แบบเบาบางแทนที่จะคำนวณในแต่ละขั้นตอนที่แต่ละจุดของปริมาตรรายการส่วนประกอบของฟิลด์จะถูกเก็บรักษาไว้ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถสอดคล้องกับปริมาณที่มีขนาดใหญ่โดยพลการและคำนวณเฉพาะส่วนประกอบเหล่านั้น ในแต่ละขั้นตอนจะมีการเพิ่มคะแนนที่อยู่ติดกับส่วนประกอบฟิลด์ในขณะที่ส่วนประกอบของฟิลด์ต่ำกว่าเกณฑ์พลังงานบางอย่างจะถูกลดลง สำหรับโครงสร้างบางอย่างการคำนวณนี้อาจมีหลายคำสั่งที่เร็วกว่า 3D FDTD แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม FDTDs ที่กระจัดกระจายไม่ทำงานได้ดีเมื่อจัดการกับโครงสร้างการกระจายตัวเนื่องจากฟิลด์ในเวลานี้แพร่กระจายมากเกินไปส่งผลให้รายการที่ยาวเกินไปและยากที่จะจัดการ รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างภาพหน้าจอของการจำลอง FDTD 3D คล้ายกับตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน (PBS)

รูปที่ 1: ผลการจำลองจาก 3D กระจัดกระจาย FDTD (a) เป็นมุมมองด้านบนของโครงสร้างที่ถูกจำลองซึ่งเป็นตัวเชื่อมต่อทิศทาง (b) แสดงภาพหน้าจอของการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบกึ่ง te ไดอะแกรมทั้งสองด้านบนแสดงมุมมองด้านบนของสัญญาณ quasi-TE และ quasi-TM และไดอะแกรมทั้งสองด้านล่างแสดงมุมมองตัดขวางที่สอดคล้องกัน (c) แสดงภาพหน้าจอของการจำลองโดยใช้การกระตุ้นแบบกึ่ง TM