ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટની ડિઝાઇન

ની ડિઝાઇનફોટોનિકસંકલિત સર્કિટ

ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ(PIC) ઘણીવાર ગાણિતિક સ્ક્રિપ્ટોની મદદથી ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે કારણ કે ઇન્ટરફેરોમીટર અથવા અન્ય એપ્લિકેશનોમાં પાથની લંબાઈના મહત્વને કારણે જે પાથની લંબાઈ પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે.PICએક વેફર પર બહુવિધ સ્તરો (સામાન્ય રીતે 10 થી 30) પૅટરિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે, જે ઘણા બહુકોણીય આકારોથી બનેલા હોય છે, જે ઘણીવાર GDSII ફોર્મેટમાં રજૂ થાય છે. ફોટોમાસ્ક ઉત્પાદકને ફાઇલ મોકલતા પહેલા, ડિઝાઇનની શુદ્ધતા ચકાસવા માટે PIC નું અનુકરણ કરવામાં સક્ષમ હોવું ખૂબ જ ઇચ્છનીય છે. સિમ્યુલેશનને બહુવિધ સ્તરોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે: સૌથી નીચું સ્તર ત્રિ-પરિમાણીય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક (EM) સિમ્યુલેશન છે, જ્યાં સિમ્યુલેશન પેટા-તરંગલંબાઇ સ્તરે કરવામાં આવે છે, જોકે સામગ્રીમાં અણુઓ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ મેક્રોસ્કોપિક સ્કેલ પર નિયંત્રિત થાય છે. લાક્ષણિક પદ્ધતિઓમાં ત્રિ-પરિમાણીય મર્યાદિત-તફાવત સમય-ડોમેન (3D FDTD) અને ઇજનમોડ વિસ્તરણ (EME) નો સમાવેશ થાય છે. આ પદ્ધતિઓ સૌથી સચોટ છે, પરંતુ સમગ્ર PIC સિમ્યુલેશન સમય માટે અવ્યવહારુ છે. આગલું સ્તર 2.5-પરિમાણીય EM સિમ્યુલેશન છે, જેમ કે ફિનિટ-ડિફરન્સ બીમ પ્રચાર (FD-BPM). આ પદ્ધતિઓ ઘણી ઝડપી હોય છે, પરંતુ અમુક ચોકસાઈનો બલિદાન આપે છે અને માત્ર પેરાક્ષિયલ પ્રચારને નિયંત્રિત કરી શકે છે અને ઉદાહરણ તરીકે, રેઝોનેટરનું અનુકરણ કરવા માટે તેનો ઉપયોગ કરી શકાતો નથી. આગલું સ્તર 2D EM સિમ્યુલેશન છે, જેમ કે 2D FDTD અને 2D BPM. આ ઝડપી પણ છે, પરંતુ મર્યાદિત કાર્યક્ષમતા ધરાવે છે, જેમ કે તેઓ ધ્રુવીકરણ રોટેટર્સનું અનુકરણ કરી શકતા નથી. આગળનું સ્તર ટ્રાન્સમિશન અને/અથવા સ્કેટરિંગ મેટ્રિક્સ સિમ્યુલેશન છે. દરેક મુખ્ય ઘટકને ઇનપુટ અને આઉટપુટ સાથેના ઘટકમાં ઘટાડવામાં આવે છે, અને કનેક્ટેડ વેવગાઇડને ફેઝ શિફ્ટ અને એટેન્યુએશન એલિમેન્ટમાં ઘટાડવામાં આવે છે. આ અનુકરણો અત્યંત ઝડપી છે. ઇનપુટ સિગ્નલ દ્વારા ટ્રાન્સમિશન મેટ્રિક્સને ગુણાકાર કરીને આઉટપુટ સિગ્નલ મેળવવામાં આવે છે. સ્કેટરિંગ મેટ્રિક્સ (જેના તત્વોને S-પેરામીટર્સ કહેવામાં આવે છે) એક બાજુના ઇનપુટ અને આઉટપુટ સિગ્નલોને ગુણાકાર કરે છે જેથી તે ઘટકની બીજી બાજુના ઇનપુટ અને આઉટપુટ સિગ્નલોને શોધી શકે. મૂળભૂત રીતે, સ્કેટરિંગ મેટ્રિક્સ તત્વની અંદર પ્રતિબિંબ ધરાવે છે. સ્કેટરિંગ મેટ્રિક્સ સામાન્ય રીતે દરેક પરિમાણમાં ટ્રાન્સમિશન મેટ્રિક્સ કરતા બમણું મોટું હોય છે. સારાંશમાં, 3D EM થી ટ્રાન્સમિશન/સ્કેટરિંગ મેટ્રિક્સ સિમ્યુલેશન સુધી, સિમ્યુલેશનનું દરેક સ્તર ઝડપ અને ચોકસાઈ વચ્ચે ટ્રેડ-ઓફ રજૂ કરે છે, અને ડિઝાઇનર્સ ડિઝાઇન માન્યતા પ્રક્રિયાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે તેમની ચોક્કસ જરૂરિયાતો માટે સિમ્યુલેશનનું યોગ્ય સ્તર પસંદ કરે છે.

જો કે, અમુક તત્વોના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિમ્યુલેશન પર આધાર રાખવો અને સમગ્ર PICનું અનુકરણ કરવા માટે સ્કેટરિંગ/ટ્રાન્સફર મેટ્રિક્સનો ઉપયોગ કરવાથી ફ્લો પ્લેટની સામે સંપૂર્ણ રીતે યોગ્ય ડિઝાઇનની બાંયધરી મળતી નથી. ઉદાહરણ તરીકે, ખોટી ગણતરી કરેલ પાથ લંબાઈ, મલ્ટીમોડ વેવગાઈડ જે અસરકારક રીતે હાઈ-ઓર્ડર મોડ્સને દબાવવામાં નિષ્ફળ જાય છે, અથવા બે વેવગાઈડ કે જે એકબીજાની ખૂબ નજીક છે જે અનપેક્ષિત કપલિંગ સમસ્યાઓ તરફ દોરી જાય છે તે સિમ્યુલેશન દરમિયાન વણશોધવામાં આવે તેવી શક્યતા છે. તેથી, જો કે અદ્યતન સિમ્યુલેશન ટૂલ્સ શક્તિશાળી ડિઝાઇન માન્યતા ક્ષમતાઓ પ્રદાન કરે છે, તેમ છતાં તે ડિઝાઇનની ચોકસાઈ અને વિશ્વસનીયતાને સુનિશ્ચિત કરવા અને જોખમ ઘટાડવા માટે, વ્યવહારુ અનુભવ અને તકનીકી જ્ઞાન સાથે, ડિઝાઇનર દ્વારા ઉચ્ચ સ્તરની તકેદારી અને સાવચેતીપૂર્વક નિરીક્ષણની જરૂર છે. પ્રવાહ શીટ.

સ્પાર્સ એફડીટીડી નામની તકનીક 3D અને 2D એફડીટીડી સિમ્યુલેશનને ડિઝાઇનને માન્ય કરવા માટે સંપૂર્ણ PIC ડિઝાઇન પર સીધા જ કરવા દે છે. કોઈપણ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિમ્યુલેશન ટૂલ માટે ખૂબ મોટા પાયે PIC નું અનુકરણ કરવું મુશ્કેલ હોવા છતાં, છૂટાછવાયા FDTD એકદમ મોટા સ્થાનિક વિસ્તારનું અનુકરણ કરવામાં સક્ષમ છે. પરંપરાગત 3D FDTD માં, સિમ્યુલેશન ચોક્કસ ક્વોન્ટાઇઝ્ડ વોલ્યુમની અંદર ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્ષેત્રના છ ઘટકોને આરંભ કરીને શરૂ થાય છે. જેમ જેમ સમય આગળ વધે છે તેમ, વોલ્યુમમાં નવા ક્ષેત્ર ઘટકની ગણતરી કરવામાં આવે છે, અને તેથી વધુ. દરેક પગલામાં ઘણી ગણતરીની જરૂર છે, તેથી તે ઘણો સમય લે છે. છૂટાછવાયા 3D FDTD માં, વોલ્યુમના દરેક બિંદુ પર દરેક પગલા પર ગણતરી કરવાને બદલે, ફીલ્ડ ઘટકોની સૂચિ જાળવવામાં આવે છે જે સૈદ્ધાંતિક રીતે મનસ્વી રીતે મોટા જથ્થાને અનુરૂપ હોઈ શકે છે અને ફક્ત તે ઘટકો માટે જ ગણતરી કરી શકાય છે. દરેક સમયે, ફીલ્ડ ઘટકોને અડીને આવેલા બિંદુઓ ઉમેરવામાં આવે છે, જ્યારે ચોક્કસ પાવર થ્રેશોલ્ડની નીચે ફીલ્ડ ઘટકોને છોડવામાં આવે છે. કેટલીક રચનાઓ માટે, આ ગણતરી પરંપરાગત 3D FDTD કરતાં વધુ તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડર હોઈ શકે છે. જો કે, છૂટાછવાયા એફડીટીડીએસ વિખરાયેલા માળખા સાથે કામ કરતી વખતે સારું પ્રદર્શન કરતા નથી કારણ કે આ વખતે ફીલ્ડ ખૂબ જ ફેલાય છે, પરિણામે યાદીઓ ખૂબ લાંબી અને મેનેજ કરવી મુશ્કેલ છે. આકૃતિ 1 ધ્રુવીકરણ બીમ સ્પ્લિટર (PBS) જેવું જ 3D FDTD સિમ્યુલેશનનું ઉદાહરણ સ્ક્રીનશોટ બતાવે છે.

આકૃતિ 1: 3D સ્પાર્સ FDTD માંથી સિમ્યુલેશન પરિણામો. (A) એ સિમ્યુલેટેડ સ્ટ્રક્ચરનું ટોચનું દૃશ્ય છે, જે દિશાત્મક કપ્લર છે. (B) અર્ધ-TE ઉત્તેજનાનો ઉપયોગ કરીને સિમ્યુલેશનનો સ્ક્રીનશોટ બતાવે છે. ઉપરોક્ત બે આકૃતિઓ અર્ધ-TE અને અર્ધ-TM સિગ્નલોનું ટોચનું દૃશ્ય દર્શાવે છે, અને નીચેના બે આકૃતિઓ અનુરૂપ ક્રોસ-વિભાગીય દૃશ્ય દર્શાવે છે. (C) અર્ધ-TM ઉત્તેજનાનો ઉપયોગ કરીને સિમ્યુલેશનનો સ્ક્રીનશોટ બતાવે છે.