Dizaynfotonikinteqrasiya olunmuş dövrə
Fotonik inteqral sxemlər(PIC), interferometrlərdə və ya yol uzunluğuna həssas olan digər tətbiqlərdə yol uzunluğunun əhəmiyyətinə görə tez-tez riyazi skriptlərin köməyi ilə hazırlanır.ŞƏKİLÇoxlu sayda çoxbucaqlı formalardan ibarət olan və tez-tez GDSII formatında təmsil olunan lövhə üzərində birdən çox təbəqənin (adətən 10-dan 30-a qədər) naxışlanması ilə istehsal olunur. Faylı fotomaska istehsalçısına göndərməzdən əvvəl, dizaynın düzgünlüyünü yoxlamaq üçün PIC-i simulyasiya etmək imkanına malik olmaq çox arzuolunandır. Simulyasiya birdən çox səviyyəyə bölünür: ən aşağı səviyyə üçölçülü elektromaqnit (EM) simulyasiyadır, burada simulyasiya alt dalğa uzunluğu səviyyəsində həyata keçirilir, baxmayaraq ki, materialdakı atomlar arasındakı qarşılıqlı təsirlər makroskopik miqyasda işlənir. Tipik metodlara üçölçülü sonlu fərq Zaman domeni (3D FDTD) və öz-özünə rejim genişlənməsi (EME) daxildir. Bu metodlar ən dəqiqdir, lakin bütün PIC simulyasiya müddəti üçün praktik deyil. Növbəti səviyyə 2,5 ölçülü EM simulyasiyadır, məsələn, sonlu fərq şüasının yayılması (FD-BPM). Bu metodlar daha sürətlidir, lakin müəyyən dəqiqlikdən imtina edir və yalnız paraksial yayılmanı idarə edə bilər və məsələn, rezonatorları simulyasiya etmək üçün istifadə edilə bilməz. Növbəti səviyyə 2D EM simulyasiyadır, məsələn, 2D FDTD və 2D BPM. Bunlar da daha sürətlidir, lakin məhdud funksionallığa malikdir, məsələn, polyarizasiya rotatorlarını simulyasiya edə bilmirlər. Başqa bir səviyyə ötürmə və/və ya səpələnmə matrisi simulyasiyadır. Hər bir əsas komponent giriş və çıxışı olan bir komponentə endirilir və qoşulmuş dalğa ötürücüsü faza dəyişməsi və zəifləmə elementinə endirilir. Bu simulyasiyalar olduqca sürətlidir. Çıxış siqnalı ötürmə matrisini giriş siqnalına vurmaqla əldə edilir. Səpələnmə matrisi (elementləri S-parametrləri adlanır) komponentin digər tərəfindəki giriş və çıxış siqnallarını tapmaq üçün bir tərəfdəki giriş və çıxış siqnallarını vurur. Əsasən, səpələnmə matrisi elementin içərisindəki əksini ehtiva edir. Səpələnmə matrisi adətən hər ölçüdə ötürmə matrisindən iki dəfə böyükdür. Xülasə, 3D EM-dən ötürmə/səpələnmə matrisi simulyasiyasına qədər hər bir simulyasiya təbəqəsi sürət və dəqiqlik arasında bir güzəşt təqdim edir və dizaynerlər dizayn təsdiqləmə prosesini optimallaşdırmaq üçün spesifik ehtiyaclarına uyğun simulyasiya səviyyəsini seçirlər.
Lakin, müəyyən elementlərin elektromaqnit simulyasiyasına əsaslanmaq və bütün PIC-i simulyasiya etmək üçün səpələnmə/ötürmə matrisindən istifadə etmək axın lövhəsinin qarşısında tamamilə düzgün dizaynı təmin etmir. Məsələn, səhv hesablanmış yol uzunluqları, yüksək səviyyəli rejimləri effektiv şəkildə basqılaya bilməyən çoxmodlu dalğa bələdçiləri və ya gözlənilməz birləşmə problemlərinə səbəb olan bir-birinə çox yaxın olan iki dalğa bələdçisinin simulyasiya zamanı aşkarlanmaması ehtimalı var. Buna görə də, qabaqcıl simulyasiya vasitələri güclü dizayn təsdiqləmə imkanları təmin etsə də, dizaynın dəqiqliyini və etibarlılığını təmin etmək və axın cədvəli riskini azaltmaq üçün dizayner tərəfindən yüksək dərəcədə sayıqlıq və diqqətli yoxlama, praktik təcrübə və texniki biliklərlə birlikdə tələb olunur.
Seyrək FDTD adlanan bir texnika, dizaynı təsdiqləmək üçün 3D və 2D FDTD simulyasiyalarının birbaşa tam PIC dizaynı üzərində aparılmasına imkan verir. Hər hansı bir elektromaqnit simulyasiya alətinin çox böyük miqyaslı PIC-i simulyasiya etməsi çətin olsa da, seyrək FDTD kifayət qədər böyük bir lokal sahəni simulyasiya edə bilir. Ənənəvi 3D FDTD-də simulyasiya elektromaqnit sahəsinin altı komponentini müəyyən bir kvantlanmış həcm daxilində başlatmaqla başlayır. Zaman irəlilədikcə həcmdəki yeni sahə komponenti hesablanır və s. Hər addım çoxlu hesablama tələb edir, buna görə də uzun müddət çəkir. Seyrək 3D FDTD-də, həcmin hər nöqtəsində hər addımda hesablamaq əvəzinə, nəzəri olaraq ixtiyari böyük bir həcmə uyğun gələ bilən və yalnız bu komponentlər üçün hesablana bilən sahə komponentlərinin siyahısı saxlanılır. Hər zaman addımında sahə komponentlərinə bitişik nöqtələr əlavə olunur, müəyyən bir güc həddindən aşağı sahə komponentləri isə atılır. Bəzi strukturlar üçün bu hesablama ənənəvi 3D FDTD-dən bir neçə dəfə daha sürətli ola bilər. Lakin, seyrək FDTDS dispersiya strukturları ilə işləyərkən yaxşı nəticə göstərmir, çünki bu zaman sahəsi çox yayılır və nəticədə çox uzun və idarə olunması çətin olan siyahılar yaranır. Şəkil 1-də polyarizasiya şüası bölücüsünə (PBS) bənzər 3D FDTD simulyasiyasının nümunə ekran görüntüsü göstərilir.
Şəkil 1: 3D seyrək FDTD-dən simulyasiya nəticələri. (A) istiqamətləndirici birləşdirici olan simulyasiya edilən strukturun yuxarıdan görünüşüdür. (B) Kvazi-TE həyəcanından istifadə edərək simulyasiyanın ekran görüntüsünü göstərir. Yuxarıdakı iki diaqram kvazi-TE və kvazi-TM siqnallarının yuxarıdan görünüşünü, aşağıdakı iki diaqram isə müvafiq en kəsik görünüşünü göstərir. (C) Kvazi-TM həyəcanından istifadə edərək simulyasiyanın ekran görüntüsünü göstərir.
Yazı vaxtı: 23 iyul 2024