ការរចនានៃសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា photonic

ការរចនានៃរូបវិទ្យាសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា

សៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា photonic(PIC) ជាញឹកញាប់ត្រូវបានរចនាឡើងដោយមានជំនួយពីស្គ្រីបគណិតវិទ្យា ដោយសារតែសារៈសំខាន់នៃប្រវែងផ្លូវនៅក្នុង interferometers ឬកម្មវិធីផ្សេងទៀតដែលងាយនឹងប្រវែងផ្លូវ។PICត្រូវបានផលិតឡើងដោយការលាបស្រទាប់ជាច្រើន (ជាធម្មតាពី 10 ទៅ 30) នៅលើ wafer ដែលមានរូបរាងពហុកោណជាច្រើន ដែលជារឿយៗត្រូវបានតំណាងជាទម្រង់ GDSII ។ មុនពេលផ្ញើឯកសារទៅក្រុមហ៊ុនផលិត photomask វាជាការចង់បានយ៉ាងខ្លាំងដើម្បីអាចក្លែងធ្វើ PIC ដើម្បីផ្ទៀងផ្ទាត់ភាពត្រឹមត្រូវនៃការរចនា។ ការក្លែងធ្វើត្រូវបានបែងចែកជាច្រើនកម្រិត៖ កម្រិតទាបបំផុតគឺការក្លែងធ្វើអេឡិចត្រូម៉ាញ៉េទិច (EM) បីវិមាត្រ ដែលការក្លែងធ្វើត្រូវបានអនុវត្តនៅកម្រិតរលករង បើទោះបីជាអន្តរកម្មរវាងអាតូមនៅក្នុងសម្ភារៈត្រូវបានគ្រប់គ្រងក្នុងមាត្រដ្ឋានម៉ាក្រូស្កូបក៏ដោយ។ វិធីសាស្រ្តធម្មតារួមមាន Time-domain (3D FDTD) និងការពង្រីក eigenmode (EME)។ វិធីសាស្រ្តទាំងនេះគឺត្រឹមត្រូវបំផុត ប៉ុន្តែមិនអាចអនុវត្តបានសម្រាប់ពេលវេលាពិសោធ PIC ទាំងមូល។ កម្រិតបន្ទាប់គឺ 2.5-dimensional EM simulation ដូចជា finite-difference beam propagation (FD-BPM)។ វិធីសាស្រ្តទាំងនេះគឺលឿនជាង ប៉ុន្តែលះបង់ភាពត្រឹមត្រូវខ្លះ ហើយអាចដោះស្រាយបានតែការផ្សព្វផ្សាយ paraxial ប៉ុណ្ណោះ មិនអាចប្រើដើម្បីក្លែងធ្វើឧបករណ៍បំពងសំឡេងបានទេ ជាឧទាហរណ៍។ កម្រិតបន្ទាប់គឺការក្លែងធ្វើ 2D EM ដូចជា 2D FDTD និង 2D BPM ។ ទាំងនេះក៏លឿនជាងមុនដែរ ប៉ុន្តែមានមុខងារមានកម្រិត ដូចជាពួកវាមិនអាចក្លែងធ្វើរង្វិលប៉ូឡូរីសបានឡើយ។ កម្រិត​មួយ​ទៀត​គឺ​ការ​បញ្ជូន និង/ឬ​ការ​ក្លែង​ធ្វើ​ម៉ាទ្រីស​ខ្ចាត់ខ្ចាយ។ សមាសធាតុសំខាន់ៗនីមួយៗត្រូវបានកាត់បន្ថយទៅជាសមាសធាតុដែលមានធាតុបញ្ចូល និងទិន្នផល ហើយឧបករណ៍រលកដែលតភ្ជាប់ត្រូវបានកាត់បន្ថយទៅជាការផ្លាស់ប្តូរដំណាក់កាល និងធាតុកាត់បន្ថយ។ ការក្លែងធ្វើទាំងនេះលឿនណាស់។ សញ្ញាទិន្នផលត្រូវបានទទួលដោយការគុណម៉ាទ្រីសបញ្ជូនដោយសញ្ញាបញ្ចូល។ ម៉ាទ្រីសខ្ចាត់ខ្ចាយ (ធាតុដែលត្រូវបានគេហៅថា S-parameters) គុណនឹងសញ្ញាបញ្ចូល និងទិន្នផលនៅម្ខាង ដើម្បីស្វែងរកសញ្ញាបញ្ចូល និងទិន្នផលនៅផ្នែកម្ខាងទៀតនៃសមាសភាគ។ ជាទូទៅ ម៉ាទ្រីសដែលខ្ចាត់ខ្ចាយមានផ្ទុកការឆ្លុះបញ្ចាំងនៅខាងក្នុងធាតុ។ ម៉ាទ្រីសខ្ចាត់ខ្ចាយជាធម្មតាមានទំហំធំជាងពីរដងនៃម៉ាទ្រីសបញ្ជូននៅក្នុងវិមាត្រនីមួយៗ។ សរុបមក ចាប់ពី 3D EM ដល់ការក្លែងធ្វើម៉ាទ្រីសបញ្ជូន/ខ្ចាត់ខ្ចាយ ស្រទាប់នីមួយៗនៃការក្លែងធ្វើបង្ហាញពីការដោះដូររវាងល្បឿន និងភាពត្រឹមត្រូវ ហើយអ្នករចនាជ្រើសរើសកម្រិតត្រឹមត្រូវនៃការក្លែងធ្វើសម្រាប់តម្រូវការជាក់លាក់របស់ពួកគេ ដើម្បីបង្កើនប្រសិទ្ធភាពដំណើរការសុពលភាពនៃការរចនា។

ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការពឹងផ្អែកលើការក្លែងធ្វើអេឡិចត្រូម៉ាញ៉េទិចនៃធាតុមួយចំនួន និងការប្រើប្រាស់ម៉ាទ្រីសបំបែក/ផ្ទេរ ដើម្បីក្លែងធ្វើ PIC ទាំងមូលមិនធានានូវការរចនាត្រឹមត្រូវទាំងស្រុងនៅពីមុខបន្ទះលំហូរនោះទេ។ ជាឧទាហរណ៍ ប្រវែងផ្លូវដែលបានគណនាខុស មគ្គុទ្ទេសក៍រលកច្រើនប្រភេទដែលបរាជ័យក្នុងការទប់ស្កាត់របៀបលំដាប់ខ្ពស់ប្រកបដោយប្រសិទ្ធភាព ឬឧបករណ៍រលកពីរដែលនៅជិតគ្នាពេកដែលនាំឱ្យមានបញ្ហាក្នុងការភ្ជាប់ទំនាក់ទំនងដែលមិនរំពឹងទុកទំនងជាមិនអាចរកឃើញក្នុងអំឡុងពេលការក្លែងធ្វើ។ ដូច្នេះហើយ ទោះបីជាឧបករណ៍ក្លែងធ្វើទំនើបផ្តល់នូវសមត្ថភាពបញ្ជាក់ការរចនាដ៏មានអានុភាពក៏ដោយ ក៏វានៅតែទាមទារកម្រិតខ្ពស់នៃការប្រុងប្រយ័ត្ន និងការត្រួតពិនិត្យយ៉ាងយកចិត្តទុកដាក់ពីអ្នករចនា រួមជាមួយនឹងបទពិសោធន៍ជាក់ស្តែង និងចំណេះដឹងបច្ចេកទេស ដើម្បីធានាបាននូវភាពត្រឹមត្រូវ និងភាពជឿជាក់នៃការរចនា និងកាត់បន្ថយហានិភ័យនៃ សន្លឹកលំហូរ។

បច្ចេកទេសមួយហៅថា Sparse FDTD អនុញ្ញាតឱ្យការក្លែងធ្វើ 3D និង 2D FDTD ត្រូវបានអនុវត្តដោយផ្ទាល់លើការរចនា PIC ពេញលេញ ដើម្បីធ្វើឱ្យការរចនាមានសុពលភាព។ ទោះបីជាវាពិបាកសម្រាប់ឧបករណ៍ក្លែងធ្វើអេឡិចត្រូម៉ាញេទិចណាមួយដើម្បីក្លែងធ្វើ PIC ខ្នាតធំក៏ដោយ FDTD តូចអាចក្លែងធ្វើជាតំបន់ធំល្មម។ នៅក្នុង 3D FDTD ប្រពៃណី ការក្លែងធ្វើចាប់ផ្តើមដោយចាប់ផ្តើមធាតុផ្សំប្រាំមួយនៃវាលអេឡិចត្រូម៉ាញេទិកក្នុងបរិមាណជាក់លាក់មួយ។ នៅពេលដែលពេលវេលាដំណើរការ សមាសធាតុវាលថ្មីនៅក្នុងកម្រិតសំឡេងត្រូវបានគណនា ហើយដូច្នេះនៅលើ។ ជំហាននីមួយៗទាមទារការគណនាច្រើនដូច្នេះវាត្រូវចំណាយពេលយូរ។ នៅក្នុង sparse 3D FDTD ជំនួសឱ្យការគណនានៅជំហាននីមួយៗ នៅចំណុចនីមួយៗនៃកម្រិតសំឡេង បញ្ជីនៃសមាសធាតុវាលត្រូវបានរក្សាទុកដែលអាចឆ្លើយតបតាមទ្រឹស្តីទៅនឹងបរិមាណធំតាមអំពើចិត្ត ហើយត្រូវបានគណនាសម្រាប់តែសមាសធាតុទាំងនោះប៉ុណ្ណោះ។ នៅជំហាននីមួយៗ ចំនុចដែលនៅជាប់នឹងសមាសធាតុវាលត្រូវបានបន្ថែម ខណៈដែលសមាសធាតុវាលក្រោមកម្រិតថាមពលជាក់លាក់មួយត្រូវបានទម្លាក់។ សម្រាប់រចនាសម្ព័ន្ធមួយចំនួន ការគណនានេះអាចជាលំដាប់ជាច្រើននៃរ៉ិចទ័រលឿនជាង 3D FDTD ប្រពៃណី។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ FDTDS តិចតួចមិនដំណើរការល្អទេនៅពេលដោះស្រាយជាមួយរចនាសម្ព័ន្ធដែលបែកខ្ញែកដោយសារតែវាលនេះរីករាលដាលច្រើនពេក ដែលបណ្តាលឱ្យមានបញ្ជីដែលវែងពេក និងពិបាកក្នុងការគ្រប់គ្រង។ រូបភាពទី 1 បង្ហាញរូបថតអេក្រង់ឧទាហរណ៍នៃការក្លែងធ្វើ 3D FDTD ស្រដៀងនឹងឧបករណ៍បំបែកធ្នឹមប៉ូល (PBS) ។

រូបភាពទី 1៖ ការក្លែងធ្វើលទ្ធផលពី 3D sparse FDTD ។ (ក) គឺជាទិដ្ឋភាពកំពូលនៃរចនាសម្ព័ន្ធដែលកំពុងត្រូវបានក្លែងធ្វើ ដែលជាឧបករណ៍ភ្ជាប់ទិសដៅ។ (ខ) បង្ហាញរូបថតអេក្រង់នៃការក្លែងធ្វើដោយប្រើ quasi-TE excitation ។ ដ្យាក្រាមទាំងពីរខាងលើបង្ហាញពីទិដ្ឋភាពកំពូលនៃសញ្ញា quasi-TE និង quasi-TM ហើយដ្យាក្រាមទាំងពីរខាងក្រោមបង្ហាញពីទិដ្ឋភាពផ្នែកឆ្លងកាត់ដែលត្រូវគ្នា។ (C) បង្ហាញរូបថតអេក្រង់នៃការក្លែងធ្វើដោយប្រើ quasi-TM excitation ។


ពេលវេលាបង្ហោះ៖ ថ្ងៃទី២៣ ខែកក្កដា ឆ្នាំ២០២៤