ဖိုတွန်နစ်ပေါင်းစပ်ပတ်လမ်း၏ ဒီဇိုင်း

ဒီဇိုင်းဖိုတွန်နစ်ပေါင်းစပ်ပတ်လမ်း

ဖိုတွန်နစ်ပေါင်းစပ်ပတ်လမ်းများ(PIC) များကို interferometer များ သို့မဟုတ် လမ်းကြောင်းအရှည်ကို ထိခိုက်လွယ်သော အခြားအသုံးချမှုများတွင် လမ်းကြောင်းအရှည်၏ အရေးပါမှုကြောင့် သင်္ချာဆိုင်ရာ script များ၏ အကူအညီဖြင့် ဒီဇိုင်းထုတ်လေ့ရှိသည်။PIC၎င်းကို wafer ပေါ်တွင် အလွှာများစွာ (ပုံမှန်အားဖြင့် ၁၀ မှ ၃၀ အထိ) patterning ပြုလုပ်ခြင်းဖြင့် ထုတ်လုပ်ထားပြီး၊ ၎င်းတို့သည် polygonal ပုံသဏ္ဍာန်များစွာဖြင့် ဖွဲ့စည်းထားပြီး GDSII format ဖြင့် မကြာခဏ ကိုယ်စားပြုလေ့ရှိသည်။ photomask ထုတ်လုပ်သူထံ ဖိုင်ကို မပို့မီ၊ ဒီဇိုင်း၏ မှန်ကန်မှုကို အတည်ပြုရန် PIC ကို simulate လုပ်နိုင်ခြင်းသည် အလွန်လိုလားဖွယ်ကောင်းပါသည်။ simulation ကို အဆင့်များစွာ ခွဲခြားထားသည်- အနိမ့်ဆုံးအဆင့်မှာ simulation ကို sub-wavelength အဆင့်တွင် လုပ်ဆောင်သည့် three-dimensional electromagnetic (EM) simulation ဖြစ်ပြီး၊ simulation ကို ပစ္စည်းရှိ အက်တမ်များအကြား အပြန်အလှန် ဆက်သွယ်မှုများကို macroscopic scale တွင် ကိုင်တွယ်သည်။ ပုံမှန်နည်းလမ်းများတွင် three-dimensional finite-difference Time-domain (3D FDTD) နှင့် eigenmode expansion (EME) တို့ ပါဝင်သည်။ ဤနည်းလမ်းများသည် အတိကျဆုံးဖြစ်သော်လည်း PIC simulation အချိန်တစ်ခုလုံးအတွက် လက်တွေ့မကျပါ။ နောက်တစ်ဆင့်မှာ finite-difference beam propagation (FD-BPM) ကဲ့သို့သော 2.5-dimensional EM simulation ဖြစ်သည်။ ဤနည်းလမ်းများသည် ပိုမိုမြန်ဆန်သော်လည်း တိကျမှုအချို့ကို ဆုံးရှုံးပြီး paraxial propagation ကိုသာ ကိုင်တွယ်နိုင်ပြီး ဥပမာအားဖြင့် resonators များကို simulate ပြုလုပ်ရန် အသုံးမပြုနိုင်ပါ။ နောက်တစ်ဆင့်ကတော့ 2D FDTD နဲ့ 2D BPM လိုမျိုး 2D EM simulation ပါ။ ဒါတွေကလည်း ပိုမြန်ပေမယ့် polarization rotator တွေကို simulate မလုပ်နိုင်တဲ့အတွက် လုပ်ဆောင်ချက်က အကန့်အသတ်ရှိပါတယ်။ နောက်ထပ်အဆင့်တစ်ခုကတော့ transmission နဲ့/သို့မဟုတ် scattering matrix simulation ပါ။ အဓိက component တစ်ခုစီကို input နဲ့ output ပါတဲ့ component တစ်ခုအဖြစ် လျှော့ချပြီး ချိတ်ဆက်ထားတဲ့ waveguide ကို phase shift နဲ့ attenuation element အဖြစ် လျှော့ချပါတယ်။ ဒီ simulation တွေက အရမ်းမြန်ပါတယ်။ output signal ကို transmission matrix ကို input signal နဲ့ မြှောက်ခြင်းဖြင့် ရရှိပါတယ်။ scattering matrix (s-parameters တွေလို့ခေါ်တဲ့ element တွေ) က component ရဲ့ တစ်ဖက်မှာရှိတဲ့ input နဲ့ output signal တွေကို မြှောက်ပြီး input နဲ့ output signal တွေကို ရှာဖွေပါတယ်။ အခြေခံအားဖြင့် scattering matrix မှာ element ထဲက reflection ပါဝင်ပါတယ်။ scattering matrix ဟာ dimension တစ်ခုစီမှာ transmission matrix ထက် နှစ်ဆကြီးလေ့ရှိပါတယ်။ အနှစ်ချုပ်ပြောရရင် 3D EM ကနေ transmission/scattering matrix simulation အထိ simulation ရဲ့ layer တစ်ခုစီဟာ speed နဲ့ accuracy အကြား trade-off ကို တင်ပြပြီး designer တွေက design validation process ကို အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် သူတို့ရဲ့ သီးခြားလိုအပ်ချက်တွေအတွက် simulation အဆင့်ကို ရွေးချယ်ကြပါတယ်။

သို့သော်၊ အချို့သောဒြပ်စင်များ၏ လျှပ်စစ်သံလိုက် simulation ကို အားကိုးခြင်းနှင့် scattering/transfer matrix ကို အသုံးပြု၍ PIC တစ်ခုလုံးကို simulate လုပ်ခြင်းသည် flow plate ရှေ့တွင် လုံးဝမှန်ကန်သော ဒီဇိုင်းကို အာမမခံနိုင်ပါ။ ဥပမာအားဖြင့်၊ မှားယွင်းတွက်ချက်ထားသော path length များ၊ high-order mode များကို ထိရောက်စွာ နှိမ်နင်းရန် ပျက်ကွက်သော multimode waveguides များ သို့မဟုတ် မမျှော်လင့်ဘဲ coupling ပြဿနာများကို ဖြစ်ပေါ်စေသည့် တစ်ခုနှင့်တစ်ခု အလွန်နီးကပ်နေသော waveguides နှစ်ခုသည် simulation လုပ်နေစဉ်အတွင်း မတွေ့ရှိနိုင်ပါ။ ထို့ကြောင့် အဆင့်မြင့် simulation tools များသည် အစွမ်းထက်သော design validation capabilities များကို ပေးစွမ်းသော်လည်း၊ ဒီဇိုင်း၏ တိကျမှုနှင့် ယုံကြည်စိတ်ချရမှုကို သေချာစေပြီး flow sheet ၏အန္တရာယ်ကို လျှော့ချရန်အတွက် designer ၏ မြင့်မားသော သတိနှင့် ဂရုတစိုက်စစ်ဆေးခြင်း၊ လက်တွေ့အတွေ့အကြုံနှင့် နည်းပညာဆိုင်ရာ အသိပညာတို့နှင့် ပေါင်းစပ်ရန် လိုအပ်ပါသည်။

sparse FDTD ဟုခေါ်သော နည်းပညာတစ်ခုသည် ဒီဇိုင်းကို အတည်ပြုရန်အတွက် ပြီးပြည့်စုံသော PIC ဒီဇိုင်းပေါ်တွင် 3D နှင့် 2D FDTD simulation များကို တိုက်ရိုက်လုပ်ဆောင်နိုင်စေပါသည်။ မည်သည့်လျှပ်စစ်သံလိုက် simulation tool မှမဆို အလွန်ကြီးမားသော scale PIC ကို simulate လုပ်ရန်ခက်ခဲသော်လည်း၊ sparse FDTD သည် အတော်လေးကြီးမားသော local area ကို simulate လုပ်နိုင်သည်။ ရိုးရာ 3D FDTD တွင် simulation သည် သတ်မှတ်ထားသော quantized volume အတွင်းရှိလျှပ်စစ်သံလိုက်စက်ကွင်း၏ အစိတ်အပိုင်းခြောက်ခုကို initialize လုပ်ခြင်းဖြင့် စတင်သည်။ အချိန်ကြာလာသည်နှင့်အမျှ volume ရှိ field component အသစ်ကို တွက်ချက်ပြီး စသည်ဖြင့်။ အဆင့်တိုင်းသည် တွက်ချက်မှုများစွာ လိုအပ်သောကြောင့် အချိန်ကြာမြင့်သည်။ sparse 3D FDTD တွင် volume ၏ point တစ်ခုစီတွင် အဆင့်တစ်ခုစီတွင် တွက်ချက်မည့်အစား၊ field component စာရင်းကို သီအိုရီအရ ကြီးမားသော volume နှင့် ကိုက်ညီနိုင်ပြီး ထို component များအတွက်သာ တွက်ချက်နိုင်သည်။ အချိန်အဆင့်တစ်ခုစီတွင်၊ field component များနှင့် ကပ်လျက်အမှတ်များကို ထည့်သွင်းထားပြီး၊ သတ်မှတ်ထားသော power threshold အောက်ရှိ field component များကို ပယ်ဖျက်ထားသည်။ အချို့သော structure များအတွက်၊ ဤတွက်ချက်မှုသည် ရိုးရာ 3D FDTD ထက် အဆပေါင်းများစွာ ပိုမိုမြန်ဆန်နိုင်သည်။ သို့သော်၊ ပြန့်ကျဲနေသော FDTDS များသည် ပျံ့နှံ့နေသောဖွဲ့စည်းပုံများကို ကိုင်တွယ်ရာတွင် ကောင်းစွာမလုပ်ဆောင်နိုင်ပါ၊ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် ဤအချိန်စက်ကွင်းသည် အလွန်ပျံ့နှံ့သွားပြီး စာရင်းများကို ရှည်လျားလွန်းပြီး စီမံခန့်ခွဲရန်ခက်ခဲစေသောကြောင့်ဖြစ်သည်။ ပုံ ၁ တွင် polarization beam splitter (PBS) နှင့်ဆင်တူသော 3D FDTD simulation ၏ ဥပမာ screenshot ကို ပြသထားသည်။

ပုံ ၁: 3D sparse FDTD မှ သရုပ်ဖော်ရလဒ်များ။ (A) သည် သရုပ်ဖော်နေသောဖွဲ့စည်းပုံ၏ အပေါ်စီးမြင်ကွင်းဖြစ်ပြီး၊ ၎င်းသည် directional coupler တစ်ခုဖြစ်သည်။ (B) quasi-TE excitation ကို အသုံးပြု၍ သရုပ်ဖော်မှု၏ ဖန်သားပြင်ဓာတ်ပုံကို ပြသထားသည်။ အထက်ဖော်ပြပါ ပုံနှစ်ခုသည် quasi-TE နှင့် quasi-TM signal များ၏ အပေါ်စီးမြင်ကွင်းကို ပြသထားပြီး အောက်ဖော်ပြပါ ပုံနှစ်ခုသည် သက်ဆိုင်ရာ cross-sectional view ကို ပြသထားသည်။ (C) quasi-TM excitation ကို အသုံးပြု၍ သရုပ်ဖော်မှု၏ ဖန်သားပြင်ဓာတ်ပုံကို ပြသထားသည်။