광자 집적 회로 설계

디자인의광자집적 회로

광자 집적 회로(PIC)는 간섭계나 경로 길이에 민감한 다른 응용 분야에서 경로 길이가 중요하기 때문에 수학적 스크립트의 도움을 받아 설계되는 경우가 많습니다.픽웨이퍼에 여러 층(일반적으로 10~30개)을 패터닝하여 제조되며, 이 층들은 종종 GDSII 형식으로 표현되는 많은 다각형으로 구성됩니다. 파일을 포토마스크 제조업체에 보내기 전에 설계의 정확성을 검증하기 위해 PIC를 시뮬레이션할 수 있는 것이 매우 바람직합니다. 시뮬레이션은 여러 레벨로 나뉩니다. 가장 낮은 레벨은 3차원 전자기(EM) 시뮬레이션으로, 시뮬레이션은 파장 이하 레벨에서 수행되지만 재료의 원자 간 상호 작용은 거시적 규모에서 처리됩니다. 일반적인 방법에는 3차원 유한 차분 시간 영역(3D FDTD) 및 고유 모드 확장(EME)이 있습니다. 이러한 방법은 가장 정확하지만 전체 PIC 시뮬레이션 시간 동안 비실용적입니다. 다음 레벨은 유한 차분 빔 전파(FD-BPM)와 같은 2.5차원 EM 시뮬레이션입니다. 이러한 방법은 훨씬 빠르지만 정확도가 다소 떨어지고 축방향 전파만 처리할 수 있으며 예를 들어 공진기를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 없습니다.다음 단계는 2D FDTD 및 2D BPM과 같은 2D EM 시뮬레이션입니다.이것 역시 빠르지만 편광 회전자를 시뮬레이션할 수 없다는 등 기능이 제한적입니다.추가 단계는 투과 및/또는 산란 행렬 시뮬레이션입니다.각 주요 구성 요소는 입력 및 출력이 있는 구성 요소로 축소되고 연결된 도파관은 위상 편이 및 감쇠 요소로 축소됩니다.이러한 시뮬레이션은 매우 빠릅니다.출력 신호는 투과 행렬에 입력 신호를 곱하여 얻습니다.산란 행렬(S-파라미터라고 하는 요소)은 한 쪽의 입력 및 출력 신호를 곱하여 구성 요소의 다른 쪽의 입력 및 출력 신호를 찾습니다.기본적으로 산란 행렬은 요소 내부의 반사를 포함합니다.산란 행렬은 일반적으로 각 차원에서 투과 행렬보다 두 배 더 큽니다. 요약하자면, 3D EM에서 투과/산란 행렬 시뮬레이션까지, 시뮬레이션의 각 계층은 속도와 정확도 간의 균형을 이루며, 설계자는 특정 요구 사항에 맞는 적절한 수준의 시뮬레이션을 선택하여 설계 검증 프로세스를 최적화할 수 있습니다.

그러나 특정 요소의 전자기 시뮬레이션에 의존하고 산란/전달 행렬을 사용하여 전체 PIC를 시뮬레이션한다고 해서 유동판 앞에서 완벽하게 정확한 설계가 보장되는 것은 아닙니다. 예를 들어, 잘못 계산된 경로 길이, 고차 모드를 효과적으로 억제하지 못하는 다중 모드 도파관, 또는 서로 너무 가까이 위치하여 예상치 못한 결합 문제를 야기하는 두 도파관은 시뮬레이션 중에 감지되지 않을 가능성이 높습니다. 따라서 고급 시뮬레이션 도구가 강력한 설계 검증 기능을 제공하더라도, 설계의 정확성과 신뢰성을 보장하고 유동층(flow sheet)의 위험을 줄이기 위해서는 설계자의 높은 수준의 경계와 신중한 검토, 그리고 실무 경험과 기술 지식이 여전히 필요합니다.

희소 FDTD(sparse FDTD)라는 기술을 사용하면 전체 PIC 설계에 대해 3D 및 2D FDTD 시뮬레이션을 직접 수행하여 설계를 검증할 수 있습니다. 전자기 시뮬레이션 도구로는 매우 큰 규모의 PIC를 시뮬레이션하는 것이 어렵지만, 희소 FDTD는 상당히 넓은 국소 영역을 시뮬레이션할 수 있습니다. 기존의 3D FDTD에서는 특정 양자화된 볼륨 내의 전자기장의 6가지 성분을 초기화하는 것으로 시뮬레이션을 시작합니다. 시간이 지남에 따라 볼륨 내의 새로운 필드 성분이 계산되고, 이런 식으로 계속됩니다. 각 단계마다 많은 계산이 필요하므로 시간이 오래 걸립니다. 희소 3D FDTD에서는 볼륨의 각 지점에서 각 단계마다 계산하는 대신, 이론적으로 임의의 큰 볼륨에 해당하고 해당 성분에 대해서만 계산할 수 있는 필드 성분 목록을 유지합니다. 각 시간 단계에서 필드 성분에 인접한 지점은 추가되고, 특정 전력 임계값 미만의 필드 성분은 삭제됩니다. 일부 구조의 경우, 이러한 계산은 기존 3D FDTD보다 몇 자릿수 더 빠를 수 있습니다. 그러나 희소 FDTDS는 분산 구조를 처리할 때 성능이 좋지 않습니다. 시간장이 너무 넓게 퍼져서 목록이 너무 길어지고 관리하기 어렵기 때문입니다. 그림 1은 편광 빔 분할기(PBS)와 유사한 3D FDTD 시뮬레이션의 예시 스크린샷을 보여줍니다.

그림 1: 3D 희소 FDTD 시뮬레이션 결과. (A)는 시뮬레이션 대상 구조물인 방향성 결합기의 평면도입니다. (B)는 준열전대(QTE) 여기를 사용한 시뮬레이션의 스크린샷입니다. 위의 두 그림은 준열전대(QTE) 및 준열전대(QTM) 신호의 평면도를 보여주며, 아래의 두 그림은 해당 단면도를 보여줍니다. (C)는 준열전대(QTM) 여기를 사용한 시뮬레이션의 스크린샷입니다.