광자 집적 회로 설계

디자인광자집적 회로

광자 집적 회로(PIC)은 간섭계나 경로 길이에 민감한 기타 응용 프로그램에서 경로 길이의 중요성 때문에 수학적 스크립트의 도움으로 설계되는 경우가 많습니다.사진웨이퍼에 여러 층(일반적으로 10~30개)을 패터닝하여 제조되며, 이는 종종 GDSII 형식으로 표시되는 많은 다각형 모양으로 구성됩니다. 파일을 포토마스크 제조업체에 보내기 전에 PIC를 시뮬레이션하여 설계의 정확성을 검증하는 것이 매우 바람직합니다. 시뮬레이션은 여러 수준으로 나누어집니다. 가장 낮은 수준은 3차원 전자기(EM) 시뮬레이션으로, 재료의 원자 간 상호 작용은 거시적 규모에서 처리되지만 시뮬레이션은 파장 이하 수준에서 수행됩니다. 일반적인 방법에는 3D FDTD(3차원 유한차분 시간 영역) 및 EME(고유모드 확장)가 포함됩니다. 이러한 방법은 가장 정확하지만 전체 PIC 시뮬레이션 시간에는 실용적이지 않습니다. 다음 단계는 유한차분빔 전파(FD-BPM)와 같은 2.5차원 EM 시뮬레이션입니다. 이러한 방법은 훨씬 빠르지만 정확도가 일부 저하되고 근축 전파만 처리할 수 있으며 공진기 등을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 없습니다. 다음 단계는 2D FDTD 및 2D BPM과 같은 2D EM 시뮬레이션입니다. 또한 속도는 더 빠르지만 편광 회전자를 시뮬레이션할 수 없는 등 기능이 제한되어 있습니다. 추가 수준은 투과 및/또는 산란 매트릭스 시뮬레이션입니다. 각 주요 구성요소는 입력과 출력이 있는 구성요소로 축소되고, 연결된 도파관은 위상 변이 및 감쇠 요소로 축소됩니다. 이러한 시뮬레이션은 매우 빠릅니다. 출력 신호는 전송 행렬에 입력 신호를 곱하여 얻습니다. 산란 행렬(요소를 S 매개변수라고 함)은 한쪽의 입력 및 출력 신호를 곱하여 구성 요소의 다른 쪽의 입력 및 출력 신호를 찾습니다. 기본적으로 산란 행렬에는 요소 내부의 반사가 포함됩니다. 산란 행렬은 일반적으로 각 차원에서 투과 행렬의 두 배입니다. 요약하면, 3D EM부터 투과/산란 매트릭스 시뮬레이션까지 시뮬레이션의 각 계층은 속도와 정확성 간의 균형을 제시하며 설계자는 설계 검증 프로세스를 최적화하기 위해 특정 요구 사항에 맞는 적절한 수준의 시뮬레이션을 선택합니다.

그러나 특정 요소의 전자기 시뮬레이션에 의존하고 산란/전달 매트릭스를 사용하여 전체 PIC를 시뮬레이션한다고 해서 유동판 앞의 완전히 올바른 설계가 보장되는 것은 아닙니다. 예를 들어 잘못 계산된 경로 길이, 고차 모드를 효과적으로 억제하지 못하는 다중 모드 도파관 또는 서로 너무 가까워 예상치 못한 결합 문제를 일으키는 두 개의 도파관은 시뮬레이션 중에 감지되지 않을 가능성이 높습니다. 따라서 고급 시뮬레이션 도구가 강력한 설계 검증 기능을 제공하더라도 설계의 정확성과 신뢰성을 보장하고 설계 오류의 위험을 줄이기 위해서는 여전히 설계자의 높은 수준의 경계와 세심한 검사가 필요하며, 이는 실제 경험과 기술 지식과 결합됩니다. 흐름 시트.

희소 FDTD라는 기술을 사용하면 전체 PIC 설계에서 직접 3D 및 2D FDTD 시뮬레이션을 수행하여 설계를 검증할 수 있습니다. 전자기 시뮬레이션 도구가 매우 큰 규모의 PIC를 시뮬레이션하는 것은 어렵지만 희소 FDTD는 상당히 넓은 로컬 영역을 시뮬레이션할 수 있습니다. 기존 3D FDTD에서 시뮬레이션은 특정 양자화된 볼륨 내에서 전자기장의 6개 구성 요소를 초기화하는 것으로 시작됩니다. 시간이 지남에 따라 볼륨의 새 필드 구성요소가 계산됩니다. 각 단계에는 많은 계산이 필요하므로 시간이 오래 걸립니다. 희소 3D FDTD에서는 볼륨의 각 지점에서 각 단계에서 계산하는 대신 이론적으로 임의의 큰 볼륨에 해당할 수 있는 필드 구성 요소 목록이 유지되고 해당 구성 요소에 대해서만 계산됩니다. 각 시간 단계에서 필드 구성 요소에 인접한 포인트가 추가되는 반면 특정 전력 임계값 아래의 필드 구성 요소는 삭제됩니다. 일부 구조의 경우 이 계산은 기존 3D FDTD보다 몇 배 더 빠를 수 있습니다. 그러나 희소 FDTDS는 분산 구조를 처리할 때 제대로 수행되지 않습니다. 왜냐하면 이 시간 필드가 너무 많이 퍼져서 목록이 너무 길고 관리하기 어렵기 때문입니다. 그림 1은 편광 빔 분할기(PBS)와 유사한 3D FDTD 시뮬레이션의 예시 스크린샷을 보여줍니다.

그림 1: 3D 희소 FDTD의 시뮬레이션 결과. (A)는 방향성 결합기인 시뮬레이션 중인 구조의 평면도입니다. (B) 준TE 여기를 사용한 시뮬레이션의 스크린샷을 보여줍니다. 위의 두 다이어그램은 quasi-TE 및 quasi-TM 신호의 평면도를 보여주고, 아래의 두 다이어그램은 해당 단면도를 보여줍니다. (C) 준TM 여기를 사용한 시뮬레이션의 스크린샷을 보여줍니다.