ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടിൻ്റെ രൂപകൽപ്പന

രൂപകൽപ്പനഫോട്ടോണിക്ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട്

ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ(PIC) പലപ്പോഴും ഗണിത സ്ക്രിപ്റ്റുകളുടെ സഹായത്തോടെ രൂപകൽപ്പന ചെയ്തിട്ടുള്ളവയാണ്, കാരണം ഇൻ്റർഫെറോമീറ്ററുകളിലോ പാത ദൈർഘ്യത്തോട് സെൻസിറ്റീവ് ആയ മറ്റ് ആപ്ലിക്കേഷനുകളിലോ പാത നീളത്തിൻ്റെ പ്രാധാന്യം കാരണം.PICഒരു വേഫറിൽ ഒന്നിലധികം ലെയറുകൾ (സാധാരണയായി 10 മുതൽ 30 വരെ) പാറ്ററിംഗ് ചെയ്തുകൊണ്ടാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്, അവ പല ബഹുഭുജ രൂപങ്ങളും ചേർന്നതാണ്, പലപ്പോഴും GDSII ഫോർമാറ്റിൽ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഫോട്ടോമാസ്ക് നിർമ്മാതാവിന് ഫയൽ അയയ്‌ക്കുന്നതിന് മുമ്പ്, ഡിസൈനിൻ്റെ കൃത്യത പരിശോധിക്കുന്നതിന് PIC അനുകരിക്കാൻ കഴിയുന്നത് വളരെ അഭികാമ്യമാണ്. സിമുലേഷൻ ഒന്നിലധികം ലെവലുകളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു: ഏറ്റവും താഴ്ന്ന നില ത്രിമാന വൈദ്യുതകാന്തിക (EM) സിമുലേഷൻ ആണ്, ഇവിടെ അനുകരണം ഉപ-തരംഗദൈർഘ്യ തലത്തിലാണ് നടത്തുന്നത്, എന്നിരുന്നാലും മെറ്റീരിയലിലെ ആറ്റങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങൾ മാക്രോസ്‌കോപ്പിക് സ്കെയിലിലാണ് കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നത്. സാധാരണ രീതികളിൽ ത്രിമാന ഫിനിറ്റ്-ഡിഫറൻസ് ടൈം-ഡൊമെയ്‌നും (3D FDTD) ഈജൻമോഡ് എക്സ്പാൻഷനും (EME) ഉൾപ്പെടുന്നു. ഈ രീതികൾ ഏറ്റവും കൃത്യമാണ്, എന്നാൽ മുഴുവൻ PIC സിമുലേഷൻ സമയത്തിനും അപ്രായോഗികമാണ്. ഫിനിറ്റ്-ഡിഫറൻസ് ബീം പ്രൊപ്പഗേഷൻ (FD-BPM) പോലെയുള്ള 2.5-ഡൈമൻഷണൽ EM സിമുലേഷനാണ് അടുത്ത ലെവൽ. ഈ രീതികൾ വളരെ വേഗമേറിയതാണ്, എന്നാൽ ചില കൃത്യതകൾ ത്യജിക്കുകയും പാരാക്സിയൽ പ്രചരണം മാത്രമേ കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ കഴിയൂ, ഉദാഹരണത്തിന്, അനുരണനങ്ങളെ അനുകരിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കാനാവില്ല. 2D FDTD, 2D BPM പോലെയുള്ള 2D EM സിമുലേഷനാണ് അടുത്ത ലെവൽ. ഇവയും വേഗതയുള്ളവയാണ്, എന്നാൽ ധ്രുവീകരണ റൊട്ടേറ്ററുകളെ അനുകരിക്കാൻ കഴിയാത്തതിനാൽ പരിമിതമായ പ്രവർത്തനക്ഷമതയുണ്ട്. മറ്റൊരു ലെവൽ ട്രാൻസ്മിഷൻ കൂടാതെ/അല്ലെങ്കിൽ സ്കാറ്ററിംഗ് മാട്രിക്സ് സിമുലേഷൻ ആണ്. ഓരോ പ്രധാന ഘടകവും ഇൻപുട്ടും ഔട്ട്പുട്ടും ഉള്ള ഒരു ഘടകമായി ചുരുങ്ങുന്നു, കൂടാതെ കണക്റ്റുചെയ്‌ത വേവ്‌ഗൈഡ് ഒരു ഘട്ടം ഷിഫ്റ്റിലേക്കും അറ്റൻവേഷൻ എലമെൻ്റിലേക്കും ചുരുങ്ങുന്നു. ഈ അനുകരണങ്ങൾ വളരെ വേഗതയുള്ളതാണ്. ഇൻപുട്ട് സിഗ്നൽ ഉപയോഗിച്ച് ട്രാൻസ്മിഷൻ മാട്രിക്സ് ഗുണിച്ചാണ് ഔട്ട്പുട്ട് സിഗ്നൽ ലഭിക്കുന്നത്. ഘടകത്തിൻ്റെ മറുവശത്ത് ഇൻപുട്ട്, ഔട്ട്പുട്ട് സിഗ്നലുകൾ കണ്ടെത്തുന്നതിന് സ്കാറ്ററിംഗ് മാട്രിക്സ് (അതിൻ്റെ മൂലകങ്ങളെ എസ്-പാരാമീറ്ററുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു) ഒരു വശത്ത് ഇൻപുട്ട്, ഔട്ട്പുട്ട് സിഗ്നലുകൾ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു. അടിസ്ഥാനപരമായി, സ്കാറ്ററിംഗ് മാട്രിക്സിൽ മൂലകത്തിനുള്ളിലെ പ്രതിഫലനം അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. സ്‌കാറ്ററിംഗ് മെട്രിക്‌സ് സാധാരണയായി ഓരോ ഡയമൻഷനിലുമുള്ള ട്രാൻസ്മിഷൻ മാട്രിക്‌സിൻ്റെ ഇരട്ടി വലുതാണ്. ചുരുക്കത്തിൽ, 3D EM മുതൽ ട്രാൻസ്മിഷൻ/സ്‌കാറ്ററിംഗ് മാട്രിക്‌സ് സിമുലേഷൻ വരെ, ഓരോ പാളി സിമുലേഷനും വേഗതയും കൃത്യതയും തമ്മിലുള്ള ഒരു ട്രേഡ്-ഓഫ് അവതരിപ്പിക്കുന്നു, ഡിസൈൻ മൂല്യനിർണ്ണയ പ്രക്രിയ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിന് ഡിസൈനർമാർ അവരുടെ പ്രത്യേക ആവശ്യങ്ങൾക്കായി ശരിയായ സിമുലേഷൻ തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നു.

എന്നിരുന്നാലും, ചില മൂലകങ്ങളുടെ വൈദ്യുതകാന്തിക സിമുലേഷനെ ആശ്രയിക്കുന്നതും മുഴുവൻ പിഐസിയും അനുകരിക്കാൻ ഒരു സ്‌കാറ്ററിംഗ്/ട്രാൻസ്‌ഫർ മാട്രിക്‌സ് ഉപയോഗിക്കുന്നതും ഫ്ലോ പ്ലേറ്റിൻ്റെ മുന്നിൽ പൂർണ്ണമായ ശരിയായ രൂപകൽപ്പന ഉറപ്പ് നൽകുന്നില്ല. ഉദാഹരണത്തിന്, തെറ്റായി കണക്കാക്കിയ പാത്ത് ദൈർഘ്യം, ഉയർന്ന ഓർഡർ മോഡുകൾ ഫലപ്രദമായി അടിച്ചമർത്തുന്നതിൽ പരാജയപ്പെടുന്ന മൾട്ടിമോഡ് വേവ്ഗൈഡുകൾ, അല്ലെങ്കിൽ പരസ്പരം വളരെ അടുത്ത് നിൽക്കുന്ന രണ്ട് വേവ്ഗൈഡുകൾ എന്നിവ സിമുലേഷൻ സമയത്ത് കണ്ടെത്താനാകാതെ പോകാനിടയുണ്ട്. അതിനാൽ, വിപുലമായ സിമുലേഷൻ ടൂളുകൾ ശക്തമായ ഡിസൈൻ മൂല്യനിർണ്ണയ കഴിവുകൾ നൽകുന്നുണ്ടെങ്കിലും, ഡിസൈനിൻ്റെ കൃത്യതയും വിശ്വാസ്യതയും ഉറപ്പുവരുത്തുന്നതിനും അപകടസാധ്യത കുറയ്ക്കുന്നതിനും, പ്രായോഗിക അനുഭവവും സാങ്കേതിക പരിജ്ഞാനവും സംയോജിപ്പിച്ച് ഡിസൈനറുടെ ഉയർന്ന ജാഗ്രതയും സൂക്ഷ്മമായ പരിശോധനയും ആവശ്യമാണ്. ഒഴുക്ക് ഷീറ്റ്.

സ്പാർസ് FDTD എന്ന് വിളിക്കുന്ന ഒരു സാങ്കേതികത, ഡിസൈൻ സാധൂകരിക്കുന്നതിന് 3D, 2D FDTD സിമുലേഷനുകൾ ഒരു സമ്പൂർണ്ണ PIC ഡിസൈനിൽ നേരിട്ട് നടത്താൻ അനുവദിക്കുന്നു. ഏതൊരു വൈദ്യുതകാന്തിക സിമുലേഷൻ ഉപകരണത്തിനും വളരെ വലിയ തോതിലുള്ള PIC അനുകരിക്കാൻ പ്രയാസമാണെങ്കിലും, വളരെ വലിയ ഒരു പ്രാദേശിക പ്രദേശത്തെ അനുകരിക്കാൻ വിരളമായ FDTD-ക്ക് കഴിയും. പരമ്പരാഗത 3D FDTD-യിൽ, ഒരു നിശ്ചിത അളവിലുള്ള വോളിയത്തിനുള്ളിൽ വൈദ്യുതകാന്തിക മണ്ഡലത്തിൻ്റെ ആറ് ഘടകങ്ങൾ സമാരംഭിച്ചുകൊണ്ടാണ് സിമുലേഷൻ ആരംഭിക്കുന്നത്. സമയം പുരോഗമിക്കുമ്പോൾ, വോള്യത്തിലെ പുതിയ ഫീൽഡ് ഘടകം കണക്കാക്കുന്നു, അങ്ങനെ അങ്ങനെ. ഓരോ ഘട്ടത്തിനും വളരെയധികം കണക്കുകൂട്ടൽ ആവശ്യമാണ്, അതിനാൽ ഇത് വളരെ സമയമെടുക്കും. സ്‌പാർസ് 3D FDTD-യിൽ, വോളിയത്തിൻ്റെ ഓരോ ഘട്ടത്തിലും ഓരോ ഘട്ടത്തിലും കണക്കുകൂട്ടുന്നതിനുപകരം, സൈദ്ധാന്തികമായി ഏകപക്ഷീയമായ ഒരു വലിയ വോള്യവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്ന ഫീൽഡ് ഘടകങ്ങളുടെ ഒരു ലിസ്റ്റ് പരിപാലിക്കപ്പെടുന്നു, അത് ആ ഘടകങ്ങൾക്ക് മാത്രം കണക്കാക്കാം. ഓരോ ഘട്ടത്തിലും, ഫീൽഡ് ഘടകങ്ങളോട് ചേർന്നുള്ള പോയിൻ്റുകൾ ചേർക്കുന്നു, അതേസമയം ഒരു നിശ്ചിത പവർ ത്രെഷോൾഡിന് താഴെയുള്ള ഫീൽഡ് ഘടകങ്ങൾ ഡ്രോപ്പ് ചെയ്യപ്പെടും. ചില ഘടനകൾക്ക്, ഈ കണക്കുകൂട്ടൽ പരമ്പരാഗത 3D FDTD യേക്കാൾ വേഗത്തിലുള്ള നിരവധി ഓർഡറുകൾ ആകാം. എന്നിരുന്നാലും, ചിതറിക്കിടക്കുന്ന ഘടനകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുമ്പോൾ വിരളമായ FDTDS മികച്ച പ്രകടനം കാഴ്ചവയ്ക്കുന്നില്ല, കാരണം ഈ സമയ ഫീൽഡ് വളരെയധികം വ്യാപിക്കുന്നു, അതിൻ്റെ ഫലമായി ലിസ്റ്റുകൾ വളരെ നീണ്ടതും കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ പ്രയാസവുമാണ്. ഒരു പോളറൈസേഷൻ ബീം സ്പ്ലിറ്ററിന് (PBS) സമാനമായ ഒരു 3D FDTD സിമുലേഷൻ്റെ ഒരു ഉദാഹരണ സ്ക്രീൻഷോട്ട് ചിത്രം 1 കാണിക്കുന്നു.

ചിത്രം 1: 3D സ്പേസ് FDTD-യിൽ നിന്നുള്ള സിമുലേഷൻ ഫലങ്ങൾ. (A) എന്നത് ഒരു ദിശാസൂചക കപ്ലറായ ഘടനയെ അനുകരിക്കുന്നതിൻ്റെ മുകളിലെ കാഴ്ചയാണ്. (ബി) ക്വാസി-ടിഇ എക്‌സിറ്റേഷൻ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു സിമുലേഷൻ്റെ സ്‌ക്രീൻഷോട്ട് കാണിക്കുന്നു. മുകളിലുള്ള രണ്ട് ഡയഗ്രമുകൾ ക്വാസി-ടിഇ, ക്വാസി-ടിഎം സിഗ്നലുകളുടെ മുകളിലെ കാഴ്ച കാണിക്കുന്നു, താഴെയുള്ള രണ്ട് ഡയഗ്രമുകൾ അനുബന്ധ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ കാഴ്ച കാണിക്കുന്നു. (സി) ക്വാസി-ടിഎം എക്‌സിറ്റേഷൻ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു സിമുലേഷൻ്റെ സ്‌ക്രീൻഷോട്ട് കാണിക്കുന്നു.