KR20130000966A - 전자기파 해석장치 및 해석방법 - Google Patents

전자기파 해석장치 및 해석방법 Download PDF

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마사토모 나카자토
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박영관
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 전자기파 해석, 특히 광학 소자 내에 진행하는 전자기파에 대한 해석을 빠른 속도로 수행하면서도 정확하게 수행할 수 있는 전자기파 해석장치 및 해석방법을 제공한다. 그 전자기파 해석장치는 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치; 상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아 상기 해석 구조를 분할하고, 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하여, BPM(Beam Propagation Method) 또는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 복합 전기장 데이터로서 저장하는 저장장치;를 포함한다.

Description

전자기파 해석장치 및 해석방법{Apparatus and method for analyzing electromagnetic wave}
본 발명의 사상은 전자기파 해석장치 및 해석방법에 관한 것으로서, 특히 금속 부분과 비금속 부분을 구별하여 전자기파를 해석할 수 있는 전자기파 해석장치 및 해석방법에 관한 것이다.
컴퓨터 기술의 발달로 인해 전자기장 문제 해석 방식에 많은 변화가 일어나고 있다. 즉, 근래 전자기파 분야의 엔지니어들은 복잡한 전자기파 문제해석에 대해서 컴퓨터 기술에 전적으로 의존하고 있다. 궁극적으로 대부분의 전자기파 해석문제는 한 개 내지 두 개의 편미분 방정식을 풀어낸다는 것을 의미하지만 실질적으로는 매우 극소수의 문제만이 컴퓨터의 도움 없이 풀 수 있고, 대부분의 경우는 복잡한 경계면에서의 산란(scattering), 감쇄 매질에서의 감쇄(loss) 그리고 비등방성(anisotropic) 매질에서의 위상지연 등과 같은 복잡한 해석이 요구 때문에 전적으로 컴퓨터에 의존하게 된다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 전자기파 해석, 특히 광학 소자 내에 진행하는 전자기파에 대한 해석을 빠른 속도로 수행하면서도 정확하게 수행할 수 있는 전자기파 해석장치 및 해석방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치; 상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아 상기 해석 구조를 분할하고, 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하여, BPM(Beam Propagation Method) 또는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 복합 전기장 데이터로서 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 구조를 입력 받는 수신부; 상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부; 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부; 상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부; 및 상기 분할된 각 부분에서 금속 또는 자기 물질이 포함되었는지 판단하는 물질 판단부;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 BPM 시뮬레이션부는, 상기 해석 구조에 대하여 상기 분할에 대응하는 BPM 그리드를 형성하는 BPM 그리드 형성부; 및 광이 진행하는 방향에 수직인 BPM 그리드의 각 면에서 상기 BPM에 의해 전기장을 계산하는 BPM 계산부;를 포함하고, 상기 FDTD 시뮬레이션부는, 상기 해석 구조에 대하여 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하는 FDTD 그리드 형성부; 및 광이 진행하는 방향에 수직인 FDTD 그리드의 각 면에서 상기 FDTD 방법에 의해 전기장 및 자기장을 계산하는 FDTD 계산부;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 FDTD 그리드 형성부는, 상기 물질 판단부에서 상기 BPM 그리드 면에 금속 또는 자기 물질이 포함된 것으로 판단한 경우에, 상기 FDTD 방법을 적용하기 위한 FDTD 그리드를 형성하고, 상기 FDTD 계산부는 계산된 상기 전기장 및 자기장에서 상기 전기장만을 상기 시간 의존 데이터로서 상기 저장장치에 전달할 수 있다. 덧붙여, 상기 물질 판단부는 상기 분할된 각 부분에 대응하는 BPM 그리드의 각 면에서, 굴절율 계산을 통해 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 FDTD 방법의 사용을 결정하는 FDTD 사용 결정부를 포함하고, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 BPM을 기본 모드로서 사용하되, 상기 FDTD 사용 결정부에서의 결정에 따라 상기 BPM 또는 FDTD 방법을 선택적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 구조에 대하여 광이 진행하는 방향으로 상기 분할된 각 부분에 대응하는 BPM 그리드 각 면에 대하여 순차적으로 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하되, 금속 또는 자기 물질이 포함된 BPM 그리드 면에서는 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하여 상기 FDTD 그리드 각 면에 대하여 상기 시간 의존 데이터를 계산하며, 상기 FDTD 그리드 면들이 끝나면 다음의 상기 BPM 그리드 면에 대한 상기 시간 무의존 데이터를 계산할 수 있다. 또한, 상기 BPM 그리드 각 면에서 계산된 상기 시간 무의존 데이터, 또는 상기 FDTD 그리드 각 면에서 계산된 상기 시간 의존 데이터는 실시간으로 순차적으로 상기 복합 전기장 데이터로서 상기 저장장치에 저장되거나, 상기 BPM 그리드 면 각각에서 계산된 상기 시간 무의존 데이터, 또는 상기 FDTD 그리드 면 각각에서 계산된 상기 시간 의존 데이터는 실시간으로 순차적으로 상기 복합 전기장 데이터로서 임시 저장장치에 저장되었다가 전체 해석 구조 전체에 대한 해석이 종료되면, 상기 복합 전기장 데이터는 상기 임시 저장장치로부터 상기 저장장치에 전달되어 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구조형성 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 대상의 전체 또는 일부에 대하여 상기 해석 구조를 형성할 수 있고, 상기 저장장치로부터의 상기 복합 전기장 데이터에 기초하여 상기 해석 구조를 변환시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치; 상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아, BPM만을 사용하는 BPM 모드, FDTD 방법만을 사용하는 FDTD 모드, 및 상기 BPM과 FDTD 방법을 복합적으로 사용하는 하이브리드 모드 중 어느 하나의 모드를 이용하여 전기장에 대한 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 전기장에 대한 데이터를 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 구조를 입력 받는 수신부; 상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부; 상기 BPM 모드, 상기 FDTD 모드, 및 상기 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택하는 모드 선택부; 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부; 상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부; 및 상기 해석 구조의 분할된 각 부분에서 금속 또는 자기 물질이 포함되었는지 판단하는 물질 판단부;를 포함할 수 있다.
상기 모드 선택부에서 상기 BPM 모드가 선택된 경우, 상기 BPM 시뮬레이션부만 동작하고, 상기 FDTD 모드가 선택된 경우, 상기 FDTD 시뮬레이션부만 동작하며, 상기 하이브리드 모드가 선택된 경우 상기 BPM 시뮬레이션부와 FDTD 시뮬레이션부 둘 다 동작하며, 상기 BPM 모드 또는 상기 FDTD 모드가 선택된 경우, 상기 물질 판단부는 동작하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 구조의 복잡도를 판단하는 구조 복잡도 결정부를 더 포함하며, 상기 모드 선택부는 상기 구조 복잡도 결정부로부터의 복잡도 정도에 따라, 상기 BPM 모드, FDTD 모드, 및 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
더 나아가 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치; 상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아, 상기 해석 구조에 대한 유전체 부분과 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보에 기초하여, BPM과 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여, 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 복합 전기장 데이터로서 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 구조를 입력 받는 수신부; 상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부; 상기 해석 구조에 대하여 상기 유전체 물질 부분과 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보를 갖는 섹터 정보부; 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부; 및 상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부;를 포함할 수 있다. 또한, 상기 섹터 정보부의 정보에 기초하여, 상기 BPM 시뮬레이션부는 상기 유전체 물질 부분에 대하여 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하고, 상기 FDTD 시뮬레이션부는 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대하여 상기 시간 의존 데이터를 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 구조형성 시뮬레이션 장치에서, 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 단계; 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에서, 상기 해석 구조를 입력 받아, 상기 해석 구조에 대하여, BPM 및 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터 중 적어도 하나를 계산하는 단계; 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터 중 적어도 하나를 복합 전기장 데이터로서 저장장치에 저장하는 단계;를 포함하는 전자기파 해석방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나를 계산하는 단계는, 상기 해석 구조를 입력 받는 단계; 상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계; 상기 광원에서 발생된 광이 진행하는 방향을 따라, 상기 해석 구조의 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 단계; 및 상기 판단하는 단계의 판단에 따라, 상기 BPM 또는 FDTD 방법에 의해 상기 분할된 각 부분에 대한 상기 시간 무의존 데이터 또는 시간 의존 데이터를 선택적으로 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 판단하는 단계 및 선택적으로 계산하는 단계는, BPM 시뮬레이션부에서, 상기 BPM을 위한 BPM 그리드를 형성하는 단계; 상기 광이 진행하는 방향에 수직인 초기 면(z0)에서 광을 발생시키는 단계; 상기 BPM 그리드의 각 면에 대한 변수인 k(k는 정수)에 1을 대입하는 단계; 상기 BPM 그리드의 k 번째 면(zk)에 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 제1 판단 단계; 상기 k 번째 면이 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하지 않는 경우, 상기 k 번째 면에 대하여 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 단계; 상기 k 번째 면이 상기 BPM 그리드의 끝인지 판단하는 제2 판단 단계; 및 상기 BPM 그리드의 끝이 아닌 경우, 상기 k를 1 증가시키는 단계;를 포함하고, 상기 k를 1 증가시키는 단계 이후에 상기 제1 판단 단계로 진행할 수 있다.
한편, 상기 k 번째 면이 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 경우, FDTD 시뮬레이션부에서, 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하는 단계; 및 상기 FDTD 그리드에 대하여 상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계;를 포함하고, 상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계 이후에 상기 제2 판단 단계로 진행할 수 있다. 또한, 상기 FDTD 그리드는 상기 BPM 그리드보다 작은 간격으로 형성되며, 상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계에서, 상기 k 번째 면에 대하여, 상기 FDTD 방법에 의해 전기장 및 자기장을 계산하되, 상기 전기장 및 자기장에서 상기 전기장만을 상기 시간 의존 데이터로서 저장할 수 있다. 상기 판단하는 단계에서, 굴절율 계산을 통해 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나를 계산하는 단계는, 상기 해석 구조를 입력 받는 단계; 상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계; 상기 BPM만을 사용하는 BPM 모드, 상기 FDTD 방법만을 사용하는 BPM 모드, 및 상기 BPM과 FDTD 방법을 복합적으로 사용하는 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 선택 여부에 따라, 상기 BPM 및 FDTD 방법 중 적어도 하나의 방법에 의해 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 선택하는 단계 이전에, 상기 해석 구조의 복잡도를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 선택하는 단계에서 상기 복잡도에 의해 상기 어느 하나를 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나를 계산하는 단계는, 상기 해석 구조를 입력 받는 단계; 상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계; BPM 시뮬레이션부에서, 상기 BPM을 위한 BPM 그리드를 형성하는 단계; 상기 FDTD 방법을 사용할 것인지 판단하는 단계; 및 상기 판단하는 단계의 판단에 따라, 상기 BPM만을 사용하거나, 또는 상기 BPM 및 FDTD 방법을 복합적으로 사용하여 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나를 계산하는 단계는, 상기 해석 구조를 입력 받는 단계; 상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계; 상기 해석 구조에 대하여 유전체 물질 부분과 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보를 입력 받는 단계; 및 상기 정보에 기초하여 상기 유전체 물질 부분은 상기 BPM에 의해, 그리도 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분은 상기 FDTD 방법에 의해, 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 전자기파 해석장치 및 해석방법은 광학 소자 내의 비금속 부분과 금속 부분을 구별하여 선택적으로 BPM과 FDTD 방법 중 어느 하나를 선택적으로 적용하여 해당 부분의 전자기파를 해석함으로써, 전자기파 해석에 대한 속도를 현저히 향상시키면서도 또한 정확한 전자기파 해석을 수행할 수 있다.
예컨대, 비금속 부분은 BPM을 이용하여 전자기파를 해석함으로써 FDTD 방법대비 10배 이상의 해석 속도를 증가시킬 수 있고, 또한, 금속 부분에서는 FDTD 방법을 이용함으로써, BPM의 부정확한 해석 또는 해석 불능 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석장치를 개략적으로 보여주는 블럭 구조도이다.
도 2 ~ 7은 도 1의 전자기파 해석장치 중 하이브리드 광 시뮬레이션 장치를 좀더 상세하게 보여주는 블럭 구조도들이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예의 전자기파 해석장치와 관련하여, 전자기파 해석에 관한 개념을 설명하기 위하여 해석 대상으로서의 CIS를 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 과정을 도 1의 전자기파 해석장치와 병행하여 보여주는 흐름도이다.
도 13 내지 도 20은 도 12의 각 과정을 해석 대상인 CIS와 관련해서 보여주는 사시도 및 사진들이다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 과정을 보여주는 흐름도들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석장치를 개략적으로 보여주는 블럭 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 전자기파 해석장치는 구조형성 시뮬레이션 장치(100), 하이브리드(hybrid) 광 시뮬레이션 장치(200), 저장장치(300) 및 사용자 인터페이스(400, User Interface: UI)를 포함할 수 있다. 여기서, 500은 해석 대상이 되는 소자를 의미한다.
구조형성 시뮬레이션 장치(100)는 해석의 대상이 되는 광학 소자들에 대한 3차원적 해석 구조를 형성하고, 해석 구조에 대한 정보(D2)를 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)에 전달할 수 있다. 때에 따라, 해석 구조에 대한 정보(D2)는 저장장치(300)에 저장될 수도 있다. 해석 구조는 실제적인 물질 구조가 아닌 3차원 가상 공간에서의 해당 광학 소자들의 특성을 반영하여 형성한 3차원 시뮬레이션 구조일 수 있다. 즉, 구조형성 시뮬레이션 장치(100)는 유저 인터페이스(400)으로 해석 대상이 되는 광학 소자에 대한 정보에 기초하여 해석 구조를 형성할 수 있다. 광학 소자에 대한 정보는 해당 광학 소자의 내부 및 외부 구조, 내부의 각 부분의 물질 성분이나 굴절율 등일 수 있고, 그러한 정보는 해석 구조 형성에 있어서 각 파라메터로 작용할 수 있다. 이에 따라, 해석 구조에는 광학 소자의 형태에 대한 정보뿐만 아니라, 해석 영역에 대한 정보나 각 부분의 물질들에 대한 굴절율 등의 정보도 함께 포함될 수 있다. 해석의 대상이 되는 광학 소자들은, 광이 내부로 진행하여 내부 구조 및 물질에 따라 내부에서 전자기장이 어떻게 형성 및 분포되는지 조사의 대상이 되는 광학 소자들이다. 이러한 광학 소자들의 내부에서의 전자기장 해석에 의해 해당 광학 소자들의 요구되는 광학 특성이 판단될 수 있다.
예컨대, 광학 소자들은 CIS, 광 인터커넥트(Optical Interconnect: OI) 장치, 태양 전지(Solar Cell) 등일 수 있고, 그러한 광학 소자들의 전기장(Electric Field), 홀-전자 쌍 생성(Hole-Electron Pair Generation, or Optical Generation), 평균 광 파워 밀도(Average Optical Power Density) 등이 전자기파 해석에 의해 판단될 수 있다. 상기 광학 소자들 및 광학 특성들은 하나의 예시일 뿐, 본 실시예의 해석 대상이 되는 광학 소자들은 전자기파가 내부로 진행하는 모든 광학 소자들일 수 있다. 또한, 해석되는 광학 특성들도 좀더 다양할 수 있다.
한편, 구조형성 시뮬레이션 장치(100)는 형성된 해석 구조에 대해 계산된 전자기장에 대한 데이터에 기초하여 해석 구조의 파라메터를 변경함으로써, 해석 구조를 변환할 수 있다. 즉, 현재의 해석 구조에 대한 전기장에 대한 결과 데이터에 기초하여 해석 구조를 변환시켜 가면서 요구되는 전기장에 대한 데이터를 추출할 수 있다. 요구되는 전기장에 대한 데이터가 추출된 경우에, 역으로 해석 구조에 대한 정보를 기반으로, 대상이 되는 광학 소자의 구조나 물질들을 변경함으로써, 광학 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 구조형성 시뮬레이션 장치(100)로부터 해석 구조에 대한 정보(D2)를 입력 받아, 해석 구조를 분할하고, 분할된 각 부분에 금속 또는 자기 물질이 포함되었는지에 따라 BPM(Beam Propagation Method) 또는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 데이터를 계산할 수 있다. 전기장에 대한 데이터는 시간에 의존하는 시간 의존 데이터 및 시간에 의존하지 않은 시간 무의존 데이터를 포함할 수 있다. 예컨대, BPM을 통해 계산된 전기장에 대한 데이터는 시간 무의존 데이터일 수 있고, FDTD 방법을 통해 계산된 전기장에 대한 데이터는 시간 의존 데이터 일 수 있다.
여기서, BPM은 BPM은 맥스웰(Maxwell) 방정식에서 시간 성분을 제거함으로써, 전기장에 대한 시간에 따른 무변화를 가정하여 해석하는 방법이고, FDTD 방법은 맥스웰 방정식을 이용한 무근사 수치해석 방법으로, BPM과는 달리 시간 성분이 포함된다. BPM 및 FDTD 방법에 대해서는 도 2 또는 도 10의 설면 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
전술한 바와 같이 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 BPM 또는 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여, 해석 구조에 대한 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하고, 계산된 전기장에 대한 시간 무의존 데이터(E(x,y,z)) 및 시간 의존 데이터(E(x,y,z,t))를 복합 전기장 데이터(Dcom)로서 저장장치(300)에 전달한다.
여기서, 복합 전기장 데이터(Dcom)는 전술한 바와 같이 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 둘 다 포함하지만, 경우에 따라 어느 하나만 포함할 수도 있다. 예컨대, 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 해석 구조 내의 물질 분포, 구조 복잡도 등에 기초하여 BPM 및 FDTD 방법 중 어느 하나만을 전용적으로 적용할 수 있고, 그에 따라, 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터 중 어느 하나만 복합 전기장 데이터로서 계산할 수도 있다.
하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)에 대해서는 도 2 내지 도 7 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
저장장치(300)에는 전술한 바와 같이 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)에서 계산된 전기장에 대한 데이터가 복합 전기장 데이터로서 저장될 수 있다. 복합 전기장 데이터는 BPM을 통해 계산된 전기장에 대한 시간 무의존 데이터와, FDTD 방법을 통해 계산된 전기장에 대한 시간 의존 데이터를 포함할 수 있다. 즉, 해석 구조의 분할된 각 부분에 금속 또는 자기 물질 포함 여부에 따라, 해당 부분 각각에서의 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터 중 어느 하나를 구비한 복합 전기장 데이터가 저장장치(300)에 저장될 수 있다.
해석 구조의 각 부분에서의 전기장에 대한 데이터는 실시간으로 순차적으로 저장장치(300)에 저장되어 해석 구조 전체에 대한 복합 전기장 데이터를 구성하거나, 또는 각 부분에서의 전기장에 대한 데이터가 실시간으로 순차적으로 임시 저장장치(미도시)에 저장되었다가 해석 구조 전체에 대한 해석이 종료된 후에, 해석 구조 전체에 대한 복합 전기장 데이터로서 저장장치(300)에 저장될 수 있다. 한편, 저장장치(300)는 구조형성 시뮬레이션 장치(100) 또는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)에서 요구하는 데이터(D3)를 저장하였다가 공급하는 역할을 할 수도 있다. 특히, 저장장치(300)에 저장된 복합 전기장 데이터(D4)는 구조형성 시뮬레이션 장치(100)에 제공되어, 구조형성 시뮬레이션 장치(100)가 형성된 해석구조를 변환하는데 이용될 수 있다.
사용자는 UI(400)를 통해 해석하고자 하는 대상 광학 소자(500) 또는 광학 장치에 대한 정보(D1)를 구조형성 시뮬레이션 장치(100) 또는 및 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)에 제공할 수 있다.
도 2 ~ 7은 도 1의 전자기파 해석장치 중 하이브리드 광 시뮬레이션 장치를 좀더 상세하게 보여주는 블럭 구조도들이다.
전술한 바와 같이, 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 구조형성 시뮬레이션 장치(100)로부터 해석 구조를 입력 받아, 해석 구조에 대한 구체적인 전자기파 해석을 수행한다. 참고로, 전자기파는 주기적으로 세기가 변화하는 전자기장이 공간 속으로 전파해 가는 현상을 의미하며, 전자파(electron wave)라고도 하며, 빛, 즉, 광 역시 전자기파에 속한다. 한편, 전자기파는 횡파이며 서로 직교하는 전기장과 자기장으로 구성되며, 맥스웰 방정식을 통해 정확히 기술될 수 있다. 맥스웰 방정식에 대한 설명은 도 10 이하에서 FDTD 방법을 설명하면서 좀더 상세히 기술된다. 전자기파를 해석한다는 의미는 맥스웰 방정식을 푼다는 의미이고, 맥스웰 방정식을 풀게 되면, 각 위치(x, y, z) 및 각 시간 t에서의 전기장의 세기 및 자기장의 세기가 구해질 수 있다. 따라서, 이하에서 전자기파를 해석한다는 의미는 전기장 또는 전기장의 세기를 계산한다는 의미와 동일한 의미로 사용될 수 있다. 또한, 전자기파 해석을 위해 광을 생성하여 이용하는데, 해석 구조 외부에서는 광이라고 명명되고, 해석 구조 내부에서는 전자기파 또는 전기장으로 명명될 수 있다. 이는 해석 구조 외부에서 다른 물질들과 전자기적 상호작용이 없는 경우 전자기파라는 개념이 불필요하나 해석 구조 내부에서는 내부 물질과 전자기적 상호 작용이 발생하므로, 전자기파의 개념, 즉 전기장의 개념이 요구되기 때문이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 수신부(210), 광원 설정부(220), BPM 시뮬레이션부(230), FDTD 시뮬레이션부(240), 및 금속 판단부(250)를 포함할 수 있다.
수신부(210)는 구조형성 시뮬레이션 장치(100)로부터 해석 구조에 대한 정보(D2)를 입력 받아 광원 설정부(220)로 전송하며, 화살표로 표시하지는 않았지만 BPM 시뮬레이션부(230), FDTD 시뮬레이션부(240), 및 금속 판단부(250)에도 해석 구조에 대한 정보를 전송할 수 있다.
광원 설정부(220)는 해석 구조로 입사되는 광원을 설정한다. 즉, 해석 구조로 입사되는 광에 대한 입사각, 편광, 파장, 광 세기 등에 대한 값들을 설정한다.
BPM 시뮬레이션부(230)는 해석구조에 대하여 설정된 광에 기초하여 BPM을 위한 BPM 그리드를 형성하고, 각 그리드 면에서 BPM을 통한 전기장을 해석한다. 여기서, BPM 그리드는 3차원 격자 형태로 형성되고, 광이 진행하는 방향에 수직하는 면이 상기 그리드 면이 될 수 있다.
전술한 바와 같이 BPM은 맥스웰(Maxwell) 방정식에서 시간 성분을 제거함으로써, 전기장에 대한 시간에 따른 무변화를 가정하여 해석하는 방법이다. 즉, BPM은 전기장 계산 영역을 작은 간격의 그리드로 분할하고, 초기 광의 값과 광의 진행방향으로 각 그리드 면에서 광의 값의 관계를 맥스웰 방정식으로부터 얻어 각 그리드 면에서의 광의 분포, 즉 전기장의 분포를 계산하는 방법이다. BPM를 통해 얻은 전기장에 대한 데이터는 시간 성분이 제거되었으므로, 시간 무의존 데이터로서 산출될 수 있다.
이러한 BPM을 통한 전기장 해석은 시간 성분이 제거되어 전기장에 대한 빠른 연산이 가능하다는 이점이 있다. BPM은 이용되는 광의 파장 정도의 사이즈에서 파장의 수천 배에 이르는 사이즈까지 해석 가능하다. 그러나 BPM은 금속이나 자기 물질 표면에서 발생하는 유도 전류에 대해서는 해석이 불가능하여, 금속 또는 자기 물질을 포함하는 광학 소자에 대해서는 해석이 부정확하거나 해석 자체를 수행할 수 없다.
BPM에는 z-invarying 근사나 paraxial 근사를 사용하여 빛이 진행하는 방향이 z축과 나란한 경우에 대한 해석 방법인 SBPM(Scalar BPM) 및 VBPM(Vectorial BPM)이 있다. SPBM은 스칼라 파동 방정식을 이용한 것으로 편광 특성이 배제되며, VBPM은 TE, TM 모드 각각 또는 두 모드 간의 결합을 고려한 방법이다. 한편, 빛이 진행하는 방향이 z축과 나란하지 않은 경우를 해결하기 위하여 Pade 근사를 이용한 Wide-Angle BMP이 있다. 한편, 계산 방법상으로 FEM(Finite Element Method) BPM, FDM(Finite Difference Method) BPM, FFT(Fast Fourier Transform) BPM 등으로 구별된다.
본 실시예에서, BPM은 해석 대상 구조에 따라 상기 예시된 다양한 방법들 중 적어도 하나가 이용될 수 있다. 또한, 상기에서 예시되지는 않았지만 BPM의 원리를 채용하여 전기장에 대한 시간 무의존 데이터를 계산하는 다른 방법의 BPM이 본 실시예의 BPM으로 이용될 수 있음은 물론이다.
FDTD 시뮬레이션부(240)는 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하고, 각 그리드 면에서 FDTD 방법을 통한 전기장을 해석한다. 전술한 바와 같이 FDTD 방법은 맥스웰 방정식을 이용한 무근사 수치해석 방법으로, BPM과는 달리 시간 성분이 포함된다. 즉, FDTD 방법은 시간에 따른 전기장의 변화까지 계산할 수 있다. 예컨대, 금속이나 자기물질 등에서는 입사된 광이 반사되고 또한 표면에 유도 전류가 생성되기 때문에 동일 위치라도 시간에 따라 전기장이 변하게 된다. 앞서, BPM은 시간에 따른 전기장의 무변화를 가정한 계산법이기 때문에, 금속이나 자기물질이 포함된 부분에서는 정확한 전기장을 계산할 수 없다. 그러나 FDTD 방법은 시간 및 공간 모두에 디펜던트한 맥스웰 방정식을 그대로 적용하여 계산하기 때문에 시간에 따른 전기장 변화에 대해서도 계산 가능하다. 결국, FDTD 방법은, 금속이나 자기 물질을 포함한 모든 물질 및 구조에 대한 정확한 전자기파 해석이 가능하다.
FDTD 방법은 이용되는 광의 파장의 수배 정도의 사이즈로부터 수백 분의 1의 정도의 사이즈까지 해석 가능하다. FDTD 방법을 통해 얻은 전기장에 대한 데이터는 시간 성분이 포함되어 있으므로, 당연히 시간 의존 데이터로서 산출되게 된다. 다만, 계산이 복잡하기 때문에 매우 큰 컴퓨팅 자원이 필요하고, 수렴까지 장시간의 해석 시간이 소요될 수 있다. FDTD 방법에 대해서는 도 10에 대한 설명 부분 이하에서 좀더 상세히 설명한다.
금속 판단부(250)는 해석 구조의 분할된 각 부분, 예컨대, BPM 그리드 각 면에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단한다. 일반적으로 대부분의 금속 물질은 자기적 성질을 가지므로 자기 물질에 포함되나, 때때로 비자기적 성질을 갖는 금속이 존재할 수 있다. 그에 따라, 금속 판단부(250)는 전자기파에 크게 영향을 미치는 물질로서, 금속 또는 자기 물질을 함께 판단한다. 이러한 금속 또는 자기 물질은 굴절율에 의해 판단할 수 있다. 즉, 일반적으로 금속은 높은 굴절율을 가지며, 또한, 복소수 굴절율이란 정의에서 허수 성분 값이 커 거의 1에 가까운 반사율을 갖는 특성이 있다.
금속 판단부(250)는 전술한 굴절율에 의해 금속 또는 자기 물질을 판단하지만, 그에 한하지 않고 다른 특성에 의해 금속 또는 자기 물질을 판단할 수 있음은 물론이다. 예컨대, 해당 부분에 존재하는 원소들의 원자량을 통해서도 금속 또는 비금속의 판단이 가능하며, 또한 저항값을 통해서도 금속 또는 비금속의 판단이 가능하다. 다만, 본 실시예에는 전기장을 해석의 주목적으로 하므로, 전자기파에 관련되는 굴절율을 가지고 금속 또는 자기 물질을 판단할 수 있다.
본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 해석 구조의 분할된 각 부분, 예컨대, BPM 그리드의 각 면에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어있는지 판단하고, 그 판단 여부에 따라, BPM 시뮬레이션부(230) 또는 FDTD 시뮬레이션부(240)에서 선택적으로 BPM 또는 FDTD 방법을 적용하여 전기장을 계산할 수 있다. 그에 따라, 해석 구조 전체에 대한 빠른 전기장을 계산함과 동시에 정확한 전기장을 계산할 수 있다.
도 3은 도 2의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치를 좀더 상세하게 보여주는 블럭 구조도로서, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 부분에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 수신부(210), 광원 설정부(220), BPM 시뮬레이션부(230), FDTD 시뮬레이션부(240), 및 금속 판단부(250)를 포함할 수 있다.
BPM 시뮬레이션부(230)는 BPM 그리드 형성부(232) 및 BPM 계산부(234)를 포함할 수 있다. BPM 그리드 형성부(232)는 해석 구조에 대하여 BPM을 위한 그리드를 형성할 수 있다. 이러한 BPM 그리드 형성부(232)는 x, y, z 방향 각각으로 20㎚ 정도 간격의 3차원 그리드를 형성할 수 있다. 그러나 그리드의 간격이 20㎚에 한정되는 것은 아니다. 즉, 그리드의 간격은 사용자의 설정에 의해 변경가능하며, 그에 따라, 해석 대상이 되는 광학 소자의 해석 구조에 따라 다양한 사이즈로 그리드가 형성될 수 있다. 여기서, 편의상 z 방향을 광이 진행하는 방향으로 정의한다.
BPM 계산부(234)는 각 BPM 그리드 면, 예컨대, z 축에 수직하는 각 BPM 그리드 면에서 BPM를 통해 전기장을 계산한다. 본 실시예에서는 각 그리드 면에서 FFT-BPM를 이용하여 전기장을 계산할 수 있다. BPM 계산부(234)를 통해 계산된 각 BPM 그리드 면에서의 전기장 데이터, 즉 시간 무의존 데이터는 임시 저장장치(260) 또는 저장장치(300)에 저장하게 될 수 있다.
FDTD 시뮬레이션부(240)는 FDTD 그리드 형성부(242) 및 FDTD 계산부(244)를 포함할 수 있다. FDTD 그리드 형성부(242)는 물질 판단부(250)에서 금속 또는 자기 물질이 존재한다고 판단된 BPM 그리드 면에 대하여 FDTD 방법을 위한 3차원 그리드를 형성한다. BPM 그리드 면에 대한 정보는 BPM 시뮬레이션부(230)로부터 전달받을 수 있다. 이러한 FDTD 그리드 형성부(242) 역시 x, y, z 방향 각각으로 그리드를 형성하되, BPM 그리드의 간격보다는 작은 수 ㎚ 정도 간격의 그리드를 형성할 수 있다. FDTD 그리드의 간격 역시 사용자의 설정에 의해 변경가능하며, 그에 따라, 해당 BPM 그리드 면에 포함된 금속 또는 자기 물질의 구조에 따라 다양한 사이즈로 FDTD 그리드가 형성될 수 있다.
FDTD 계산부(244)는 각 FDTD 그리드 면, 예컨대, z 축에 수직하는 각 FDTD 그리드 면에서 FDTD를 통해 전기장을 계산한다. FDTD 계산부(244)는 해당 BPM 그리드 면에 대해 형성된 모든 FDTD 그리드 면에 대하여 전기장을 계산할 수 있다. 한편, 일반적으로 FDTD 계산부(244)는 맥스웰 방정식의 특성상 각 FDTD 그리드 면에서 전기장에 대한 데이터뿐만 아니라 자기장에 대한 데이터도 함께 계산한다. 그러나, 광학 소자 해석에서 자기장에 대한 데이터가 특별히 요구되지 않은 한, 전기장 및 자기장 데이터 중 자기장에 대한 데이터는 삭제하고 전기장 데이터만을 시간 의존 데이터로서 임시 저장장치(260) 또는 저장장치(300)에 저장하게 된다.
본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200)는 BPM을 이용하여 전자기파를 해석하되, 금속 또는 자기 물질 표면의 유도 전류에 의해 추가적으로 발생하는 전기장에 대해서는 FDTD 방법으로 자동 전환하여 해석함으로써, 별도의 조작 없이 금속 또는 자기 물질을 포함하는 광학 소자 전체에 대한 신속하고 정확하게 통합적인 전자기파 해석을 수행할 수 있다.
도 4는 도 2의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에 대한 변형예로서, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 부분에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200a)는 모드 선택부(270)를 더 포함할 수 있다. 모드 선택부(260)는 BPM을 전용적으로 사용하는 BPM 모드, FDTD 방법을 전용적으로 사용하는 FDTD 모드, 및 BPM 및 FDTD 방법을 복합적으로 사용하는 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
예컨대, 모드 선택부(270)가 BPM 모드를 선택한 경우 BPM 모드 선택에 대한 정보(S1)가 BPM 시뮬레이션부(230)에 전달되고, 또한, FDTD 모드를 선택한 경우 FDTD 모드 선택에 대한 정보(S2)가 FDTD 시뮬레이션부(240)에 전달될 수 있다. 한편, 모드 선택부(270)가 하이브리드 모드를 선택한 경우, 하이브리드 모드 선택에 대한 정보(S3)가 BPM 시뮬레이션부(230), FDTD 시뮬레이션부(240) 및 물질 판단부(250)에 전달될 수 있다. 모드 판단 정보에 따라, BPM 시뮬레이션부(230), FDTD 시뮬레이션부(240) 및 물질 판단부(250) 중 적어도 하나가 동작하여, BPM 및 FDTD 방법 중 적어도 하나를 이용하여 해석 구조에 대한 전자기파 해석이 수행될 수 있다.
본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200a)는 모드 선택부(260)를 포함함으로써, 광학 소자에 대한 전자기파 해석을 좀더 신속하게 수행할 수 있다. 예컨대, 금속을 포함하지 않은 광 도파로와 같은 광학 소자의 경우는 FDTD 방법을 적용할 필요가 없다. 반대로, 광학 소자의 사이즈가 매우 작고 내부의 금속 포함 구조가 복잡한 경우나, 해석 영역 전체에 대하여 정확한 전자기파 해석이 요구되는 경우에는 전체 구조에 대해 FDTD를 적용하여야 할 경우가 있다.
그에 따라, 모드 선택부(270)를 통해 BPM 모드 또는 FDTD 모드를 선택하는 경우에는 물질 판단부(250)에서 BPM 그리드 면마다 금속 또는 자기 물질 포함 여부를 판단하지 않고 BPM 또는 FDTD 방법 중 어느 하나로만 전자기파 해석을 진행함으로써, 좀더 효율적인 전자기파 해석을 수행할 수 있다. 물론, 하이브리드 모드를 선택한 경우에는 도 2에서 전술한 바와 같이 물질 판단부(250)에서 BPM 그리드 면마다 금속 또는 자기 물질 포함 여부가 판단되면서, 전자기파 해석이 진행됨은 물론이다.
하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200a)는 해석 구조에 따라, 모드 선택부(27)를 통해 BPM 모드, FDTD 모드 및 하이브리드 모드 중 어느 하나의 모드로 해석 구조에 대한 전자기파 해석을 수행함으로써, 해석 구조에 대하여 신속하고 정확하게 통합적인 전자기파 해석을 수행할 수 있다.
도 5는 도 2의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에 대한 다른 변형예로서, 역시, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 부분에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200b)는 모드 선택부(270) 및 구조 복잡도 결정부(275)를 더 포함할 수 있다. 모드 선택부는 도 4에서 설명한 바와 같이 BPM 모드, FDTD 모드, 및 하이브리드 모드 중 어느 하나의 모드를 선택할 수 있다.
한편, 구조 복잡도 결정부(275)는 해석 구조에 대한 복잡도를 판단할 수 있다. 복잡도 계산은 다양한 방법이 적용될 수 있다. 한 예로서, 단위 체적당 포함된 물질의 종류에 의해 복잡도가 계산될 수도 있다. 그에 따라, 구조 복잡도 결정부(275)는 광도파로에 대한 해석 구조에 대해서는 낮은 복잡도를 갖는 것으로 판단할 수 있고, CIS나 태양 전지 등의 경우는 높은 복잡도를 갖는 것으로 판단할 수 있다.
구조 복잡도 결정부(275)에서 판단된 복잡도에 대한 정보는 모드 선택부(270)에 전달될 수 있다. 그에 따라, 모드 선택부(270)는 복잡도에 따라 모드를 선택할 수 있다. 예컨대, 복잡도가 낮은 해석 구조에 대해서는 BPM 모드를, 복잡도가 매우 높은 구조는 FDTD 모드를 적용할 수 있다. 물론, 모드 선택부(270)가 복잡도에 의해서만 모드를 선택하는 것은 아니다. 즉, 모드 선택부(270)는 복잡도, 금속 포함 여부, 해석 시간, 분석의 정확성 여부 등 다양한 인자들에 근거하여 모드를 선택할 수 있다.
도 6은 도 2의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에 대한 다른 변형예로서, 역시, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 부분에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200c)는 FDTD 사용 결정부(280)를 더 포함할 수 있다. FDTD 사용 결정부(280)는 FDTD 방법을 사용할 것인지 결정하는 기능을 한다. 즉, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200c)는 기본적으로 BPM 시뮬레이션부(230)를 통해 BPM 모드로 전자기파 해석을 수행한다. BPM 모드로 전자기파 해석 수행 중, FDTD 사용 결정부(280)로부터 FDTD 사용에 대한 신호가 입력되면, FDTD 방법이 함께 사용되게 된다. 도면에서, 점선 화살표는 FDTD 방법을 사용하는 된 경우에 각 정보 입력에 대한 경로를 보여준다.
실제로, FDTD 방법을 사용하는 걸로 결정된 경우, 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200c)는 도 2 또는 도 3에서 설명한 것과 동일하게 동작할 수 있다. 한편, FDTD 사용 결정부(280)는 해석 구조에 대한 전자기파 해석을 진행하기 전에, 또는 BPM 모드로 전자기파 해석 수행 중 어느 때라도 FDTD 사용에 대한 정보를 BPM 시뮬레이션(230)에 전달할 수 있다. 또한, FDTD 사용에 대한 결정은 사용자에 의해 UI를 통해 FDTD 사용 결정부(280)에 입력되거나 또는 해석 구조에 대한 소정 기준에 따라 사용 결정부(280)에서 결정할 수 있다.
결국, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200c)는 기본적으로 BPM을 이용하여 전자기파를 해석하되, 금속 또는 자기 물질이 포함되어 FDTD 방법의 사용이 요구되는 경우에, FDTD 사용 결정을 통해 FDTD 방법을 적용하여 전자기파를 해석할 수 있다. 즉 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200c)는 해석 구조에 따라 융통성 있게 BPM만을 적용하거나 또는 BPM과 FDTD 방법을 복합적으로 적용함으로써, 신속하고 정확하게 통합적인 전자기파 해석을 수행할 수 있다.
도 7은 도 2의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에 대한 다른 변형예로서, 역시, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 부분에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200d)는 섹터 정보부(290)를 더 포함할 수 있다. 섹터 정보부(290)는 해석 구조에 대한 섹터 정보, 예컨대, 해석 구조의 제1 섹터에는 유전체 물질로만 구성되어 있고, 제2 섹터에는 금속 또는 자기 물질을 포함한다 등의 정보를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 섹터 및 제2 섹터는 BPM 시뮬레이션부(230)에서 형성한 BPM 그리드와는 다른 개념이다. 예컨대, 해석 구조를 크게 분할하여, 유전체가 연속적으로 유지되는 부분을 제1 섹터로, 그리고 금속이 계속 유지되거나 금속 및 유전체가 복합적으로 섞여 있는 부분은 제2 섹터 등으로 구분할 수 있다.
섹터 정보부(290)로부터의 해석 구조에 대한 정보는 BPM 시뮬레이션부(230) 또는 FDTD 시뮬레이션부(240)로 전달된다. 즉, 제1 섹터 정보(DBPM)는 BPM 시뮬레이션부(230)에 전달되고, 제2 섹터 정보(DFDTD)는 FDTD 시뮬레이션부(240)에 전달될 수 있다. 이러한 1 섹터 정보(DBPM) 및 제2 섹터 정보(DFDTD)에 기초하여 BPM 시뮬레이션부(230)는 제1 섹터, 즉 유전체만 존재하는 부분에 대해 BPM를 통해 전기장을 계산하고, FDTD 시뮬레이션부(240)는 제2 섹터, 즉 금속 또는 자기물질을 포함하는 부분에 대하여 FDTD 방법을 통해 전기장을 계산할 수 있다. 물론, BPM 시뮬레이션부(230)에서의 전기장에 대한 데이터 및 FDTD 시뮬레이션부(240)에서의 전기장에 대한 데이터는 서로 공유될 수 있고(점선 화살표), 또한, 광의 진행 방향에 따라 각 섹터 별로 순차적으로 BPM 또는 FDTD 방법이 선택적으로 적용되어 전기장에 대한 데이터가 계산될 수 있다.
한편, 섹터 정보부(290)가 포함하는 해석 구조에 대한 섹터 정보는 사용자가 UI를 통해 섹터 정보부에 입력되거나, 섹터 정보부(29)가 입력된 해석 구조를 분석하여 획득할 수 있다.
본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200d)는 섹터 정보부(290)를 통해 해석 구조에 대하여 섹터 별로 BPM 또는 FDTD 방법이 적용되므로, 각 BPM 그리드 면에서 금속 또는 자기 물질을 판단하기 위한 물질 판단부가 불필요하다. 그에 따라, 본 실시예의 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(200d)는 해석 구조에 대해 보다 신속하고 정확하게 통합적인 전자기파 해석을 수행할 수 있다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예의 전자기파 해석장치와 관련하여, 전자기파 해석에 관한 개념을 설명하기 위하여 해석 대상으로서의 CIS를 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 8은 해석의 대상이 되는 CIS의 구조 및 해석 영역을 개략적으로 보여준다.
도 8을 참조하면, CIS(500, CMOS Image Sensor)는 크게 포토 다이오드 영역(510), 배선층(520), 필터층(530), 및 마이크로 렌즈(540)로 구분될 수 있다. 광(L)이 마이크로 렌즈(540), 필터(530) 및 배선층(520)을 거쳐 포토 다이오드 영역(510)으로 입사되고, 포토 다이오드(510) 영역에서 홀-전자 쌍 생성을 통해 전류 캐리어들이 발생하게 된다. 이렇게 생성된 전류 캐리어, 예컨대, 전자들이 주변에 배치된 회로를 통해 전기 신호로서 검출됨으로써, 입사된 광의 세기나 파장 등이 계산될 수 있다.
CIS의 성능을 정확히 파악하기 위해서는 입력광에서부터 전기신호 발생까지의 현상을 정확히 모사하여 해석할 수 있는 광해석, 즉 전자기파 해석 능력이 요구된다. 본 실시예의 전자기파 해석장치는 금속 또는 자기 물질 부분과 유전체 물질 부분을 구별하여 해석함으로써, CIS의 내부에서의 전자기파를 정확히 해석할 수 있다. 한편, 본 실시예의 전자기파 해석장치는 CIS 전체 구조를 해석하는 것이 아니라, 해석의 정확성 및 신속성을 위해 대표적인 부분만을 해석 영역으로 설정한 후 그 해석 영역에 대응하는 부분에 대해서만 구조형성 시뮬레이션 장치(도 1의 100)를 통해 해석 구조를 형성하여 해석을 진행할 수 있다.
도 9는 도 8의 CIS에서 해석이 대상이 되는 해석 영역의 일부를 좀더 확대하여 보여준다.
도 9를 참조하면, CIS에서의 광의 진행과정을 간단히 설명하면, 먼저, 발생된 광(L)이 마이크로 렌즈(540)로 입사되어 포커싱되고, 이러한 포커싱된 광들은 필터층(530)의 해당 필터, 예컨대 레드(R), 그린(G), 블루(B) 필터에 의해 파장에 따라 필터링된다. 필터링 된 광들은 배선층(520)을 통과하게 되는데, 배선층(520)은 유전체층(522) 내에 다층의 배선 라인들(524, 526)을 포함할 수 있다. 배선층(520)을 통과한 광은 포토 다이오드 영역(510)에 도달하게 되고, 도달된 광의 세기에 비례하여 다수의 홀-전자 쌍 생성을 유도한다. 생성된 홀 및 전자들 중 일반적으로 전자들이 광을 센싱하기 위한 전기신호로서 검출되게 된다.
이러한 과정을 통해 입사되는 광은 CIS 내부의 각 부분들에서 흡수, 반사, 굴절, 산란 등의 전자기적 현상이 발생하고, 특히, 금속의 배선 라인에서의 반사나 산란은 매우 크게 발생하게 되고, 또한 금속 표면에 유도 전류가 발생하게 된다. 따라서, CIS 내부 구조에서의 전자기파, 예컨대 전기장을 정확히 계산하게 되면, CIS의 정확한 성능, 예컨대 홀-전자 쌍 생성의 성능을 정확하게 예측할 수 있고, 그에 따라, CIS의 광 검출 성능을 정확히 예측할 수 있다. 또한, CIS에 대한 전자기파 해석을 통해, 해당 CIS의 구조나 물질 등에서의 문제점을 파악하고, 새로운 구조나 물질 등으로 변경함으로써, 좀더 개선된 CIS를 구현하는데 기여할 수 있다.
도 10은 도 9의 CIS에 대하여 본 실시예의 전자기파 해석 장치를 통해 해석하는 과정을 간략하게 설명하기 위한 개략도이다.
도 10을 참조하면, 먼저, 광원 설정부(도 2의 220)에서 설정한 대로 소정 부분, 즉 광원(600)에서 광을 발생시킨다. 발생된 광은 CIS로 입사하게 되는데, 마이크로 렌즈(540), 필터(530) 및 배선층(530)의 상부 영역(522b)은 일반적으로 유전체 물질로 형성되므로, BPM을 통해 전자기파 해석이 수행될 수 있다.
한편, 배선층(530) 중 금속 배선들(524, 526)이 존재하는 중간 부분은 FDTD 방법을 통해 전자기파 해석이 수행될 수 있다. 한편, 도면에서 금속 배선들(524, 526) 사이의 부분들도 FDTD 방법을 통해 전자기파 해석이 수행되는 것으로 도시되고 있으나, 금속 배선들(524, 526)의 간격에 따라 달라질 수도 있다. 예컨대, 금속 배선들(524, 526) 사이의 간격이 커서, 금속 배선에 의한 반사나 유도 전류 등에 의한 영향이 적은 위치의 유전체 부분의 경우는 BPM을 통해 전기장을 해석할 수 있다.
다음, 배선층(530)의 하부 영역(522a) 및 포토 다이오드 영역(510)에는 금속층이 존재하지 않으므로 다시 BPM을 통해 전자기파가 해석될 수 있다. 한편, 포토 다이오드 영역(510)에서는 전기장에 대한 해석뿐만 아니라, 생성된 홀-전자 쌍의 분포도 해석할 수 있음은 물론이다.
이하, 이해의 편의를 위해 FDTD 방법을 수식을 통해 간단히 기술한다.
FDTD 방법은 물리적인 형상이 정의되는 가상 공간, 즉 해석 공간 내에 전기장 강도를 계산하는 점(point)과 자기장을 계산하는 점을 이산적으로 배치하고, 시간축에 따라 전기장 강도와 자기장 강도를 교대로 산출하는 방법을 말한다. 이러한 전기장 강도 및 자기장 강도는 맥스웰 방정식을 이용하여 산출한다.
맥스웰 방정식은 전자기 현상을 이론적으로 설명하는 기본적인 방정식으로서, 이하의 식(1) 내지 식(4)를 포함한다.
Figure pat00001
..................................식(1)
Figure pat00002
.................................식(2)
Figure pat00003
.......................................식(3)
........................................식(4)
여기서, B는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 자속 밀도를 의미하고, H는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 자기장의 세기를 의미하며, D는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 전속 밀도를 의미하며, J는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 전류 밀도를 의미하며, ρ는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 전하 밀도를 의미한다.
한편, 식(1)은 전자기유도에 대한 패러데이의 법칙에 대한 방정식이고, 식(2)는 확장된 암페어 법칙에 대한 방정식이다. 또한 식(3) 및 식(4)는 각각 전계 및 자계에 대한 가우스 법칙에 대한 방정식이다.
상기 맥스웰 방정식의 이용에 있어서, 이하의 식(5) 내지 식(7)이 보조적으로 이용될 수 있다.
Figure pat00005
............................................ 식(5)
Figure pat00006
............................................식(6)
Figure pat00007
.............................................식(7)
여기서, E는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 어느 시각 t에서의 전기장 세기를 의미하고, ε은 (x, y, z)의 위치에 있어서의 물질의 유전율을 의미하며, μ는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 물질의 투자율을 의미하며, σ는 (x, y, z)의 위치에 있어서의 물질의 도전율을 의미한다. 한편, 식(5), 식(6) 및 식(7)은 각각 전속 밀도와 전기장 세기와의 관계, 자속 밀도와 자기장 세기와의 관계 및 전류밀도와 전기장 세기와의 관계를 나타낸다.
상기 식(1) 및 식(2)는 상기 식(3) 내지 식(7)을 이용하여 전기장 세기 E와 자기장 세기 H로만 나타내면 식(8) 및 식(9)로 표현될 수 있다.
Figure pat00008
.........................................식(8)
Figure pat00009
....................................식(9)
상기 식(8)과 식(9)에서, 전기장 세기 E와 자기장 세기 H는 위치 (x, y, z)와 시간 t를 변수로 하는 함수이며, 여기에 유전율ε 투자율 μ 및 도전율 σ은 위치 (x, y, z)를 변수로 하는 함수이다. 그에 따라, 어느 위치 (x, y, z)에 있어서, 전기장 세기 E와 자기장 세기 H는 기본적으로 어느 시각 t에 대하여 식(8) 및 식(9)의 연립 방정식을 푸는 것에 의해 얻어질 수 있다.
FDTD 방법에서는 어느 시각 t에서의 식(8) 및 식 (9)의 연립 방정식을 중심 차분법을 이용하여 풀게 된다. 여기서 차분법이란 변수 축 상에 몇 개의 이산 점을 취하고 미분 가능한 함수의 어느 이산 점에서 미분을 차분 방정식으로 치환하여, 그 차분 방정식을 푸는 것에 의해 근사해를 얻는 것을 말한다. 또한, 차분 방정식은 미분 가능한 함수 f(q)에서, 2개의 변수 값 q, q+r에 대한 함수의 차분, 즉 f(q+r)-f(q)을 차분치 r로 나누는 것을 말한다. 한편, 중심 차분법은 어느 이산점 q에 대한 함수 f(q)의 해를 다음의 이산 점과의 중간점 q+r/2의 함수 f(q+r/2)와 이전의 이산 점과의 중간점 q-r/2의 함수 f(q-r/2)와의 차분에 의해 구하는 방법을 말한다.
FDTD 방법에서, 시간의 간격을 △t로 하고, 시간 축 상에 있어서 △t의 간격으로 이산 점을 취하고 시간을 이산화했다고 가정한다. 즉, 시간축 상에 있어서, 이산 점의 시각 t는 0, △t, 2△t,.....,(n-1)△t, n△t,(n+1)△t,... 으로 취해진다고 가정한다. 여기서, 시각 t=n△t에서의 전기장 세기 E와 자기장 세기 H를 각각 E n, H n 라고 표현한다. 그리고, 시각 t=n△t에서의 식(8)의 좌변, 즉, 자기장의 세기 H n의 시간 미분을 중심 차분법의 차분 방정식으로 치환하면 이하의 식 (10)이 될 수 있다.
Figure pat00010
...............................식(10)
또한, 식(10)에서, 자기장 세기 H의 계산 시각이 전기장 세기 E의 계산 시간에 대하여 반 시간 간격 정도로 빗나가고 있다고 감안하여 시각 t=(n-1/2)△t에서의 식(9)의 좌변, 즉 전기장 세기 E n -1/2의 시간 미분을 차분 방정식으로 치환하면 이하의 식(11)이 될 수 있다.
Figure pat00011
..........................식(11)
식(10)과 식(11)과의 관계로부터, 전기장 세기 E의 계산 시각에 반 시간 간격의 차이가 없다고 가정하여, 이하의 식(12)로 나타나는 근사식을 이용할 수 있다.
Figure pat00012
..........................................식(12)
식(12)을 식(11)에 대입하면 다음의 식(13)이 될 수 있다.
Figure pat00013
.....................식(13)
또한, 식(10)과 식(13)을 각각 변형하면 이하의 식(14) 및 식(15)이 될 수 있다.
Figure pat00014
.....................................식(14)
Figure pat00015
.........................식(15)
이와 같이 시간에 대한 미분을 차분 방정식을 이용하여 변형함으로써, 맥스웰 방정식을 식(14) 및 식(15)로 변형한다. 이후, 공간에 대한 미분을 풀기 위해 공간을 이산화시켜, 이산화된 각 지점에서 전기장의 세기 및 자기장의 세기를 구하게 된다. 한편, 전자기장에서 전기장의 세기를 계산하는 점과 자기장의 세기를 계산하는 점은 이산적으로 배치된다는 것을 유의한다.
공간에 대한 미분은, x, y, z 성분인 (i, j, k)에 대한 미분을 각각 차분 방정식으로 치환하는 것에 계산될 수 있다. 즉, 전기장 및 자기장에 대한 공간 미분을 풀어쓰면, 식(16) 및 식(17)로 표현될 수 있다.
Figure pat00016
.....................식(16)
Figure pat00017
....................식(17)
또한, 식(16)을 이용하면, 식(14)의 z 성분은 이하의 식(18)이 될 수 있다.
Figure pat00018
.................................식(18)
한편, x방향, y방향, z방향의 간격을 △x, △y, △z라 하고, (i+1/2, j+1/2, k)의 위치에 있는 자기장 계산 점에 대한 식(18)은, 전기장 세기 E의 x 성분과 y성분의 미분을 각각 차분 방정식으로 변환시키는 것에 의해 다음 식(19)가 된다.
Figure pat00019
............식(19)
식(19)와 동일한 원리에 의해, (i+1/2, j, k+1/2)의 위치에 있는 자기장 계산 점에 관한 식(14)의 y 성분은 이하의 식(20)이 된다.
Figure pat00020
...........식(20)
또한, (i, j+1/2, k+1/2)의 위치에 있는 자기장 계산 점에 관한 식(14)의 x 성분은 이하의 식(21)이 된다.
Figure pat00021
...........식(21)
FDTD 방법에서는 상기 식(19) 내지 (21)의 3개의 전개식 중의 어느 쪽에 의해, 자기장 계산 점에 대한 각 시각에서의 자기장 세기 H가 계산될 수 있다.
한편, 식(17)을 이용하면, 식(15)의 x 성분은 식(22)가 된다.
Figure pat00022
....................식(22)
그리고, (i+1/2, j, k)의 위치에 있는 전기장 계산 점에 대한 관한 식(22)은, 자기장의 세기 H의 y 성분과 z성분의 미분을 각각 차분 방정식으로 변환하는 것에 의해, 식(23)이 된다.
Figure pat00023
.............식(23)
식(23)과 동일한 논리에 의해, (i, j+1/2, k)의 위치에 있는 전기장 계산 점 관한 식(15)의 y성분은 이하의 식(24)이 된다.
Figure pat00024
...............식(24)
또한, (i, j, k+1/2)의 위치에 있는 전기장 계산 점에 관한 식(15)의 z성분은 이하의 식(25)이 된다.
Figure pat00025
................식(25)
FDTD 방법에서, 식(23) 내지 식(25)의 3개의 전개식 중 어느 쪽에 의해 전기장 계산점에 대한 각 시각에서의 전기장 세기 E가 계산될 수 있다.
참고로, BPM의 경우는 전기장 또는 자기장의 시간에 대한 무변화 가정하므로, 앞서 설명한 시간 미분에 대한 부분을 고려할 필요가 없다. 또한, BPM의 한 방법인 FFT-BPM의 경우는 각 그리드 면에서 고속 푸리에 변환을 통해 주파수 영역에서의 계산을 수행하고 역 변환함으로써 좀더 신속하게 전기장에 대한 계산을 수행할 수 있다.
본 실시예의 전자기파 해석장치는 CIS의 구조에 대하여, 금속이 존재하는 부분과 존재하지 않은 부분을 구별하여, 전술한 FDTD 방법과 BPM을 선택적으로 적용함으로써, CIS에 대한 전자기파 해석을 신속하게 수행하면서도, 정확한 해석을 수행할 수 있다.
앞서 해석 대상의 광학 장치로서, CIS를 가지고 설명하였지만, 본 실시예의 전자기파 해석 장치는 수 ㎛ 사이즈의 CIS에 한하지 않고, 광이 내부로 입사되는 모든 광학 소자 또는 광학 장치에 대한 전자기파 해석이 가능하다. 예컨대, 수백 ㎛ 사이를 갖는 광 인터커넥트(OI) 장치나 태양 전지(Solar Cell) 등에 대해서도 정확하고 빠른 전자기파 해석을 수행할 수 있다. 또한, 광변조소자, 수광소자, 발광소자, 광섬유, 광도파로, 광 커플러, 광도파 간섭계 등과 같은 광통신에 이용되는 광소자 또는 광학 장치, 그리고 포토 다이오드 자체나, 광 결정 구조, 마스크 등과 같은 광소자에 대해서도 본 실시예의 전자기파 해석장치를 통해 신속하고 정확한 전자기파 해석이 가능하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저, 구조형성 시뮬레이션 장치(도 1의 100)에서 해석 대상 소자에 대한 해석 구조를 형성한다(S100). 전술한 바와 같이 해석 구조는 실제적인 물질 구조가 아닌 3차원 가상 공간에서의 해당 광학 소자들의 특성을 반영하여 형성한 3차원 시뮬레이션 구조일 수 있다. 그에 따라, 해석 구조에는 광학 소자의 형태에 대한 정보뿐만 아니라, 해석 영역에 대한 정보나 각 부분의 물질들에 대한 굴절율 등의 정보도 함께 포함될 수 있다.
다음, 하이브리드 광 시뮬레이션 장치(도 1의 200)가 구조형성 시뮬레이션 장치(도 1의 100)로부터 해석 구조를 입력 받아 해석 구조에 대한 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터를 계산한다(S200). 여기서, 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터를 계산한다는 의미는 결국, 해석 구조에 대하여 BPM를 통해 전기장에 대한 시간 무의존 데이터를 계산하고, 또한, 해석 구조에 대하여 FDTD 방법을 통해 전기장에 대한 시간 의존 데이터를 계산한다는 의미이다. 한편, BPM은 해석 구조의 유전체 부분에 적용되고, FDTD 방법은 금속 또는 자기 물질이 포함된 부분에 적용될 수 있다.
이후, 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터는 복합 전기장 데이터로서 저장장치(도 1의 300)에 저장된다(S300). 한편 복합 전기장 데이터는 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터 중 어느 하나만을 포함할 수도 있다. 한편, 복합 전기장 데이터는 구조형성 시뮬레이션 장치가 해석 구조를 변환하는 데에 이용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 과정을 도 1의 전자기파 해석장치와 병행하여 보여주는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 먼저 구조형성 시뮬레이션 장치(도 1의 100)로부터 형성된 해석 구조가 입력된다(S210). 여기서, 해석 구조는 전술한 바와 같이 해석 대상이 되는 광학 소자 전체에 대한 해석 구조일 수도 있지만, 광학 소자의 일부분에 대한 해석 구조일 수도 있다.
입력된 해석 구조에 기초하여 광원 설정부에서 광원 발생을 설정한다(S215). 광원 발생 설정은 광에 대한 입사각, 편광, 파장, 세기 등을 해석 구조에 따라 적절히 설정하는 것을 의미한다.
광원 발생 설정 후, 해석 구조에 대한 BPM 그리드(xl, ym, zn)를 형성한다(S220). BPM 그리드는 BPM 시뮬레이션부(도 2의 230)에서 형성하며, BPM 그리드의 각 방향의 간격은 20㎚ 정도로 설정할 수 있다. 그러나 간격이 그에 한정되는 것은 아니다. 한편, z방향으로 빛의 진행 방향을 정의하고, z 방향으로의 각 그리드 면에 대하여 인덱스 k를 변수로 설정할 수 있다. k=0인 초기 면(z0)은 광, 즉 전기장이 발생하는 면일 수 있다.
BPM 그리드 형성 후, 초기 면(z0)에서 전기장을 발생시킨다(S225). 발생된 전기장은 전술한 바와 같이 z방향으로 진행하는 것으로 가정한다. 일반적으로 전기장은 x, y, z축 방향으로 3차원적으로 진행하지만, 해석의 목적상 z 방향으로 진행하는 평면파로서 전기장을 발생시킬 수 있다. 전기장이 발생하는 초기 면(z0)은 해석 구조에서 소정 위치 떨어진 곳에 위치할 수 있다.
인덱스 k에 1을 대입한다(S230). 즉, 다수의 BPM 그리드 면 중 제1 그리드 면을 선택한다. 제1 그리드 면은 해석 구조에 가장 인접한 그리드 면일 수 있다. 이하에서, 단순히 그리드 면이라고 하면, BPM 그리드 면을 지칭한다.
다음 제k 그리드 면이, 금속 또는 자기 물질을 포함하는지 판단한다(S235). 예컨대, k가 1일 경우, 제1 그리드 면이 금속 또는 자기 물질을 포함하는지 판단한다. 금속 또는 자기 물질의 포함 여부는 굴절율에 의해 판단할 수 있다. 그러나 금속 또는 자기 물질의 포함 여부가 굴절율에 의한 판단에 한정되는 것은 아니다.
제k 그리드 면이, 금속 또는 자기 물질을 포함하지 않는 경우(No), 제k 그리드 면에 대하여 BPM을 통해 전기장을 계산한다(S250). 전술한 바와 같이 BPM을 통해 계산된 전기장 데이터는 시간 무의존 데이터일 수 있다.
제k 그리드 면에서의 전기장 계산이 끝나면 제k 그리드 면에 대한 전기장 데이터를 저장한다(S260). 전기장 데이터는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치 내의 임시 저장장치(도 3의 260)에 저장되거나 또는 저장장치(300)에 저장될 수 있다.
제k 그리드 면이 해석 구조의 끝인지 판단한다(S270). 해석 구조의 끝인지의 판단은 처음 BPM 그리드 형성 시에 해석 구조의 끝에 해당하는 인덱스 번호를 확인하여 판단할 있다. 예컨대, 해석 구조의 끝에 해당하는 그리드 면의 인덱스가 n인 경우, k와 n를 비교하여 해석 구조의 끝을 판단할 수 있다.
해석 구조의 끝인 경우(Yes)에는 해석을 종료하고, 만약 해석 구조의 끝이 아닌 경우(No)는 k을 1 증가 시킨다(S275). k의 1 증가 후, 금속 또는 자기 물질의 포함 여부 판단 단계(S235)로 진행한다.
한편, 앞서 금속 또는 자기 물질의 포함 여부 판단 단계(S235)에서, 제k 그리드 면에 금속 또는 자기 물질이 포함된 경우(Yes), 제k 그리드 면에 대해서 FDTD 그리드를 형성한다(S240). FDTD 그리드는 BPM 그리드보다 간격이 작을 수 있다. 예컨대, FDTD 그리드의 간격은 수 ㎚일 수 있다. 그러나 FDTD 그리드 간격 역시 해석 구조에 따라 사용자가 적절하게 설정할 수 있음은 물론이다. 편의상 FDTD 그리드 역시 z 방향을 따라 FDTD 그리드 면이 정의될 수 있다.
제k 그리드 면에 대하여, FDTD 방법에 의해 전기장 데이터가 계산될 수 있다(S245). FDTD 방법에 의한 전기장 데이터는 시간 의존 데이터일 수 있다. 한편, FDTD 방법은 전술한 바와 같이 전기장 데이터 및 자기장 데이터가 함께 계산될 수 있다. 한편, FDTD 방법에 의한 전기장 데이터는 제k 그리드 면에 대하여 형성된 모든 FDTD 그리드 면에서 계산될 수 있다.
제k 그리드 면에 대해 계산된, FDTD 방법에 의한 전기장 데이터가 시간 의존 데이터로서 저장된다(S260). FDTD 방법에 의한 전기장 데이터 역시, 임시 저장장치(도 3의 260)에 저장되거나 또는 저장장치(300)에 저장될 수 있다. 한편, FDTD 방법에 의해 계산된 자기장 데이터는 해석 구조에서 크게 필요하지 않으므로, 자기장 데이터는 삭제되며, 전기장 데이터만이 시간 의존 데이터로서 저장장치에 저장될 수 있다.
시간 의존 데이터 저장 후, 제k 그리드 면이 해석 구조의 끝인지 판단한다(S270). 해석 구조의 끝인 경우(Yes)에는 해석을 종료하고, 만약 해석 구조의 끝이 아닌 경우(No)는 k을 1 증가 시킨다(S275). k의 1 증가 후, 금속 또는 자기 물질의 포함 여부 판단 단계(S235)로 진행한다.
본 실시예의 전자기파 해석 방법은 금속 또는 자기 물질 포함 여부에 따라, BPM 및 FDTD 방법을 선택적으로 사용하여 전기장을 해석함으로써, 대상 광학 소자에 대한 신속하고 정확한 전자기파 해석이 가능하다. 예컨대, FDTD만을 사용하여 해석한 결과와 비교하여 거의 90 % 이상의 정확도를 확보할 수 있으며, 또한 속도 면에서도 FDTD만을 사용한 방법보다 수배 내지 수십 배 이상 빠르게 결과를 도출시킬 수 있다. 실제로, CIS에 대해 FDTD만을 사용한 전자기파 해석에 비해 본원의 전자기파 해석 방법을 적용한 결과 20 ~ 70 배 정도의 빠르게 해석이 수행될 수 있음을 확인할 수 있었다. 더 나아가, 본 실시예의 전자기파 해석 방법은 별도의 광학 구조, 즉 해석 구조를 별도로 설정할 필요없이, BPM 또는 FDTD 방법을 적용하기 위한 해석 구조를 그대로 적용할 수 있다. 그 BPM 및 FDTD 방법을 복합적으로 이용함으로써, 유전체만을 포함하는 광학 소자뿐만 아니라 금속을 포함하는 광학 소자들에 대해서도 빠르고 정확한 전자기파 해석이 가능하다.
도 13 내지 도 20은 도 12의 각 과정을 해석 대상인 CIS와 관련해서 보여주는 사시도 및 사진들이다.
도 13은 해석 구조 입력 단계(S235)에 대응하는 도면으로, CIS(500)의 해석 영역에 대하여 3차원적으로 형성된 해석 구조를 보여준다. 상부에서부터 마이크로 렌즈(540), 필터층(530), 배선층(520), 및 포토 다이오드 영역(510)이 배치되어 있음을 확인할 수 있다. 한편, 배선층(520) 중간의 검은 해칭 부분은 상부 금속 배선(526)일 수 있다.
도 14는 광원 발생 설정 단계(S215)에 대응하는 도면으로, 광에 대한 입사각(incident), 방위각(azimutal), 편광(polarization) 등을 개념적으로 보여주고 있다. 물론, 광원 발생 설정 단계에서는 광의 방향이나 편광뿐만이 아니라 광의 파장이나 광의 세기 등도 설정됨은 물론이다.
도 15는 BPM 그리드 형성 단계(S220)에 대응하는 도면으로, CIS에 대한 해석 구조에 대하여, 매우 촘촘하게 그리드가 형성됨을 확인할 수 있다. BPM 그리드는 20㎚ 간격으로 형성될 수 있다. 물론, 해석 대상이 되는 소자의 해석 구조에 따라 BPM 그리드의 간격은 달라질 수 있음은 물론이다. BPM 그리드는 등간격으로 형성될 수도 있고, 또는 비등간격으로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 배선층이나 필터 부분은 좁은 간격으로 등간격의 그리드가 형성되고, 포토 다이오드 영역은 넓은 간격으로 비등간격의 그리드가 형성될 수 있다.
도 16은 초기 면에서 전기장을 발생시키는 단계(S225)에 대응하는 도면으로, 초기 면(z0)에서 광을 발생시킨다. 여기서 광을 발생시킨다는 의미는 실질적인 광을 생성한다는 개념이 아닌 z방향으로 진행하는 평면파로서, 앞서 광원 설정 단계에서 설정된 광의 특성을 갖는 전기장을 개념적으로 생성한다는 개념이다.
광이 발생하는 초기 면(z0)은 도시된 바와 같이 해석 구조, 예컨대 마이크로 렌즈(540)에서 소정 거리 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 한편, 다수의 BPM 그리드들 중 제1 그리드 면은 마이크로 렌즈(540)에 소정 거리 떨어진 위치(A)의 그리드 면일 수도 있고, 또는 마이크로 렌즈(540)에 바로 인접한 위치(B)의 그리드 면일 수 있다. 일반적으로 제1 그리드 면은 해석 구조에서 소정 거리 떨어진 위치에 설정되나, 해석 구조와 초기 면(z0) 사이에 진공과 같이 별다른 물질이 존재하지 않는 경우에는 해석 구조에 인접하여 제1 그리드 면이 형성될 수 있다.
도 17은 제k 그리드 면에 대해, BPM을 통해 전기장을 계산하는 단계(S250)에 대응하는 시뮬레이션 사진으로서, 제k-1 그리드 면 및 제k 그리드 면에 금속 또는 자기 물질이 포함되지 않은 경우에, 제k-1 그리드 면(왼쪽 사진)에 이어서 계속해서 제k 그리드 면(오른쪽 사진)에서 BPM을 통해 계산된 전기장의 분포를 보여주고 있다. 여기서, 하부의 진한 부분은 아직 해석이 진행되지 않은 부분이다.
한편, 오른쪽과 왼쪽 시뮬레이션 사진에서 제k-1 그리드 면과 제k 그리드 면의 간격이 매우 크게 도시되고 있지만 이는 이해의 편의를 도모한 것으로서, 일반적으로 그리드 면 간의 간격은 매우 좁을 수 있다. 본 실시예에서 BPM 방법은 해당 제k 그리드 면에서 고속 푸리에 변환을 통해 전기장을 해석하는 방법, 즉 FFT-BPM을 통해 전기장을 해석할 수 있다.
도 18a는 제k 그리드 면에 금속 또는 자기 물질을 포함하는 경우에 FDTD 그리드를 형성하는 단계(S245)에 대응하는 도면으로서, 상부 금속 배선(526)이 제k 그리드 면에 속한 경우에, 상부 금속 배선(526)에 매우 좁은 간격의 FDTD 그리드(얇은 실선, F)가 형성됨을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이 FDTD 그리드 간격은 BPM 그리드(굵은 실선, B)의 간격보다 작을 수 있다. 예컨대, BPM 그리드 간격이 20㎚인 경우에, FDTD 그리드 간격은 5㎚일 수 있다. 그러나 BPM 그리드 간격 및 FDTD 그리드 간격이 상기 수치에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도면에서 FDTD 그리드의 최상부의 면 및 BPM 그리드 면이 상부 금속 배선(526) 표면과 일치하는 것으로 도시되었지만, 일치하지 않을 수도 있다. 즉, BPM 그리드 면들이 등 간격으로 형성될 때, 다수의 BPM 그리드 면들 중 최초로 금속을 포함하는 BPM 그리드 면은 금속 표면이 아니 금속 내부 부분에 위치할 수 있다. 다만, 해석의 편의를 위해 BPM 그리드 면들을 등 간격이 아니도록 형성할 수 있고, 그에 따라, 최초로 금속을 포함하는 BPM 그리드 면이 금속 표면과 일치하도록 BPM 그리드가 형성될 수도 있다.
도면에서, 상부 금속 배선(526)에만 FDTD 그리드가 형성되고 하부 금속 배선(524)에는 FDTD 그리드가 형성되지 않은 것으로 도시되고 있는데, 이는 하부 금속 배선(524) 부분의 BPM 그리드 면에서 금속 또는 자기 물질의 포함 여부가 아직 판단되지 않았기 때문이다.
제k 그리드 면이 금속 또는 자기 물질을 포함하고, 그에 따라 FDTD 그리드가 형성되게 되면, 각 FDTD 그리드에 대하여, FDTD 방법에 의해 전기장이 계산된다.
도 18b는 BPM 그리드와 FDTD 그리드를 좀더 확대하여 보여주는 단면도로서, 오른쪽 방향이 z 방향을 나타낸다. 도시된 바와 같이 최초 금속을 포함하는 BPM 그리드 면, 즉 제k+1 그리드 면(zk +1)이 금속 표면과 일치하지 않음을 알 수 있다. 또한, 최후로 금속 부분을 벗어난 BPM 그리드 면, 즉 제k+3 그리드 면(zk +3)도 금속 표면과 일치하지 않을 수 있다. 여기서, 점선이 BPM 그리드를 나타내고, 실선이 FDTD 그리드를 나타낸다.
한편, 도시된 바와 같이 FDTD 그리드는 금속 내부 부분에만 형성되는 것이 아니라 금속 외부 부분에도 형성될 수 있다. 이와 같은 금속 외부 부분의 FDTD 그리드는 금속 표면에서 반사 또는 산란되는 전기장에 대한 좀더 정확한 해석을 위해 필요할 수 있다.
도 19는 제k 그리드 면에서 BPM 또는 FDTD 방법을 통해 계산된 전기장에 대한 분포를 보여주는 시뮬레이션 사진이다. 제k 그리드 면에서 BPM 또는 FDTD 방법을 통해 계산된 전기장에 대한 데이터는 시간 의존 데이터 또는 시간 무의존 데이터로서 저장장치 또는 임시 저장장치에 저장될 수 있다. 따라서, 본 도면은 제k 그리드 면에 대한 전기장 데이터를 저장하는 단계(S260)에 대응할 수 있다.
한편, 본 도면의 제k 그리드 면은 배선층(520) 내의 하부 영역(도 10의 522a), 즉 유전체층 부분에 위치하고, 그에 따라 계산된 전기장은 BPM에 의한 전기장 데이터로서 시간 무의존 데이터일 수 있다.
도 20은 CIS 해석 영역 전체에 대한 BPM 또는 FDTD 방법을 통해 계산된 전기장에 대한 분포를 보여주는 시뮬레이션 사진이다. 즉, 각 그리드 면에서 계산된 BPM에 의한 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 FDTD 방법에 의한 전기장에 대한 시간 의존 데이터들이 모두 합쳐져 해석 구조의 전체에 대한 복합 전기장 분포 또는 복합 전기장 데이터로서 보여지고 있다. 여기서, 복합 전기장 분포 또는 복합 전기장 데이터는 계산된 전기장에 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터가 함께 포함됨을 의미한다.
계산된 복합 전기장 분포 또는 복합 전기장 데이터를 기초로 하여, CIS 해석 영역에 대하여 여러 가지 광 해석을 수행할 수 있다. 예컨대, 기본적으로 각 부분들에서 전기장의 세기에 기초하여 광 파워 밀도(Optical Power Density) 및 흡수 밀도(Absorption Density)를 계산할 수 있으며, 또한, 홀-정공 쌍 생성 성능을 계산할 수도 있다. 한편, 홀-정공 쌍 생성 성능은 양자화 효율(Quantum Efficiency)로 일컬어지기도 한다.
한편, 전술한 바와 같이 각 그리드 면에서 계산된 BPM 또는 FDTD 방법에 의한 전기장 데이터는 저장장치(300)에 실시간으로 순차적으로 저장되어 해석 구조 전체에 대한 복합 전기장 데이터를 구성하거나, 또는 각 그리드 면에서 계산된 BPM 또는 FDTD 방법에 의한 전기장 데이터가 임시 저장장치(도 3의 260)에 저장되었다가, 해석 구조 전체에 대한 전기장 계산이 종료되면, 저장장치(300)로 전달되어 해석 구조 전체에 대한 복합 전기장 데이터로서 저장될 수 있다.
도 21 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 과정을 보여주는 흐름도들이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 과정을 보여주는 흐름도로서, 도 12의 전자기파 해석 방법 부분에서 이미 설명한 내용에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 21을 참조하면, 먼저 구조형성 시뮬레이션 장치(도 1의 100)로부터 형성된 해석 구조가 입력된다(S310). 여기서, 해석 구조는 광학 소자 전체에 대한 해석 구조일 수도 있고 또는 광학 소자의 일부분에 대한 해석 구조일 수도 있다.
다음, 입력된 해석 구조에 기초하여 광원 설정부에서 광원 발생을 설정한다(S320). 광원 발생 설정은 광에 대한 입사각, 편광, 파장, 세기 등을 해석 구조에 따라 적절히 설정하는 것을 의미함은 전술한 바와 같다.
광원 발생 설정 후, BPM 모드, FDTD 모드, 및 하이브리드 모드 중 어느 모드를 사용할 것인지 선택한다(S330). 여기서, BPM 모드는 BPM을 전용 사용하는 모드이고, FDTD 모드는 FDTD 방법을 전용 사용하는 모드이며, 하이브리드 모드는 BPM과 FDTD 모드를 복합적으로 사용하는 모드를 의미한다.
예컨대, 금속을 포함하지 않은 광 도파로와 같은 광학 소자의 경우는 FDTD 방법을 적용할 필요가 없다. 반대로, 광학 소자의 사이즈가 매우 작고 내부의 금속 포함 구조가 복잡한 경우나, 해석 영역 전체에 대하여 정확한 전자기파 해석이 요구되는 경우에는 전체 구조에 대해 FDTD를 적용하여야 할 경우가 있다.
따라서, 해석하고자 하는 광학 소자의 특성에 따라, 미리 BPM을 전용적으로 사용할 것인지 아니면 FDTD 방법을 전용적으로 사용할 것인지 판단하여 해당 모드를 선택으로써, 전적으로 하이브리드 모드를 사용함에 따른 시간적인 손실을 줄일 수 있다. 예컨대, BPM 모드 또는 FDTD 모드를 선택하는 경우에는 각 BPM 그리드 면에서 금속 또는 자기 물질 포함 여부를 판단하는 단계를 생략할 수 있다.
모드 선택 단계(S330)에서, BPM 모드를 선택한 경우(1), BPM 그리드를 형성하고(S340), 초기 면에서 전기장을 발생시킨 후(S350), 각 제k 그리드 면에 대하여 BPM에 의한 전기장을 계산하여 저장한다(S360 ~ S390).
한편, FDTD 모드를 선택한 경우(2), FDTD 그리드를 형성하고(S340a), 초기 면에서 전기장을 발생시킨 후(S350a), 각 제k 그리드 면에 대하여 FDTD에 의한 전기장을 계산하여 저장한다(S360a ~ S390a).
만약, BPM 및 FDTD 방법 둘 다를 사용하는 하이브리드 모드를 선택한 경우(3)는 도 12의 BPM 그리드 형성 단계(S220)으로 진행하여 도 12에서 설명한 바와 같이 각 제k 그리드 면에 대하여 BPM 및 FDTD 방법 중 어느 하나를 선택적으로 적용하여 전기장을 계산하여 저장하면 된다.
한편, 본 실시예에서, 모드 선택 단계(S330)를 광원 발생 설정 단계(S320) 이후에 수행하였지만, 이에 한하지 않고, 광원 발생 설정 단계(S320) 이전 또는 구조 입력 단계(S310) 이전에 전용 사용 여부 판단 단계(S330)를 수행하여도 무방하다. 즉, 광원 발생 설정 단계(S320) 이전 또는 구조 입력 단계(S310) 이전에, 전용 사용 여부 판단 단계(S330)를 수행하고, 그 정보에 기초하여 광원 발생 설정 단계 이후에 해당하는 과정(1, 2, 3)의 단계들로 진행하면 된다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 변형예를 보여주는 흐름도로서, 역시 도 12의 전자기파 해석 방법 부분에서 이미 설명한 내용에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 22를 참조하면, 해석 구조가 입력되는 단계(S310) 이후, 해석 구조에 대한 구조 복잡도를 계산한다(S315). 계산된 복잡도는 모든 선택 단계(S330)에서 이용될 수 있다. 구조 복잡도를 계산한 후, 광원 발생을 설정하고(S320), 모드 선택 단계(S330)로 진행한다. 모드 선택 단계(S330)의 동작은 도 21부분에서 설명한 바와 같다.
모드 선택 단계(S330)에서, 해석 구조의 복잡도에 의해 모드를 선택할 수도 있다. 그러나 그에 한정되지 않고 해석 구조의 복잡도, 금속 포함 여부, 해석 시간, 분석의 정확성 여부 등 다양한 인자들에 기초하여 모드를 선택할 수 있음은 물론이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 변형예를 보여주는 흐름도로서, 역시 도 12의 전자기파 해석 방법 부분에서 이미 설명한 내용에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 23를 참조하면, BPM 그리드를 형성하는 단계(S340) 이후, FDTD 방법을 사용할 것인가 판단한다(S345). FDTD 방법을 사용하지 않는 경우에는 초기 면에서 전기장을 발생시키는 단계(S350)로 진행하고, 만약 FDTD 방법을 사용하는 경우, 도 12의 초기 면(z0)에서 전기장을 발생시키는 단계(S225)로 진행한다.
본 실시예에서는 BPM 모드를 기본적으로 사용하되, BPM 그리드 형성 후, FDTD 사용 판단 단계(S345)에서 FDTD 방법을 사용할 것인가를 판단하여, 만약, 사용하지 않는 경우에는 BPM만을 사용할 수 있다. 그에 따라, 물질 판단 단계를 생략할 수 있으므로, 해석 구조에 대한 빠른 전자기파 해석이 가능하다. 물론, FDTD 방법을 사용하는 경우에는 도 12에서 설명한 바와 같은 동작을 통해 BPM 또는 FDTD 방법이 선택적으로 사용되어 해석구조에 대한 전자기파 해석이 수행될 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 해석방법에 대한 변형예를 보여주는 흐름도로서, 역시 도 12의 전자기파 해석 방법 부분에서 이미 설명한 내용에 대해서는 간략하게 설명하거나 생략한다.
도 24를 참조하면, 광원 설정 단계(S320) 이후, 해석 구조를 BPM 부분과 FDTD 부분으로 분할한다(S335). 즉, 해석 구조를 BPM만을 적용할 BPM 부분과 FDTD 방법만을 적용할 FDTD 부분으로 분할한다. 이는 앞서 도 7에 대한 설명에서 해석 구조를 각 섹터로 분할하는 것에 대응할 수 있다. 즉, 유전체만 존재하는 부분인 제1 섹터가 BPM 부분에 대응하고, 금속 또는 자기 물질을 포함하는 제2 섹터가 FDTD 부분에 대응할 수 있다.
해석 구조 분할 후, BPM 그리드를 형성하는 단계(S340)로 진행하고, 그 후, BPM 부분에 대한 정보(DBPM)에 기초하여 BPM 부분에 대하여 BPM을 통해 전자기파를 분석한다(S340 ~ S390). 또한, FDTD 그리드를 형성하는 단계(S340a)로 진행하고 FDTD 부분에 대한 정보((DFDTD)에 기초하여, FDTD 부분에 대하여 FDTD 방법을 통해 전자기파를 분석한다(S340a ~ S390a).
본 실시예에는 미리 해석 구조를 BPM 부분과 FDTD 부분으로 나누어 각각 BPM과 FDTD 방법을 통해 전기장를 계산함으로써, 각 BPM 그리드 면에서 금속 또는 자기 물질 포함 여부를 판단할 필요가 없다. 그에 따라, 본 실시예에의 전자기파 해석 방법은 해석 구조에 대한 신속한 전자기파 해석을 가능하게 한다.
지금까지, 본 발명을 도면에 표시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 구조형성 시뮬레이션 장치
200, 200a, 200b, 200c, 200d: 하이브리드 광 시뮬레이션 장치
210: 수신부 220: 광원 설정부 230: BPM 시뮬레이션부
232: BPM 그리드 형성부 234: BPM 계산부
240: FDTD 시뮬레이션부 242: FDTD 그리드 형성부
244: FDTD 계산부 250: 물질 판단부
260: 임시 저장장치 270: 모드 선택부
275: 구조 복잡도 결정부
280: FDTD 사용 결정부 290: 섹터 정보부 300: 저장장치
400: 유저 인터페이스

Claims (33)

  1. 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치;
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아 상기 해석 구조를 분할하고, 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하여, BPM(Beam Propagation Method) 또는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 복합 전기장 데이터로서 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 수신부;
    상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부;
    상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부;
    상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부; 및
    상기 분할된 각 부분에서 금속 또는 자기 물질이 포함되었는지 판단하는 물질 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 BPM 시뮬레이션부는,
    상기 해석 구조에 대하여 상기 분할에 대응하는 BPM 그리드를 형성하는 BPM 그리드 형성부; 및
    광이 진행하는 방향에 수직인 BPM 그리드의 각 면에서 상기 BPM에 의해 전기장을 계산하는 BPM 계산부;를 포함하고,
    상기 FDTD 시뮬레이션부는,
    상기 해석 구조에 대하여 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하는 FDTD 그리드 형성부; 및
    광이 진행하는 방향에 수직인 FDTD 그리드의 각 면에서 상기 FDTD 방법에 의해 전기장 및 자기장을 계산하는 FDTD 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 FDTD 그리드 형성부는, 상기 물질 판단부에서 상기 BPM 그리드 면에 금속 또는 자기 물질이 포함된 것으로 판단한 경우에, 상기 FDTD 방법을 적용하기 위한 FDTD 그리드를 형성하고,
    상기 FDTD 계산부는 계산된 상기 전기장 및 자기장에서 상기 전기장만을 상기 시간 의존 데이터로서 상기 저장장치에 전달하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 물질 판단부는
    상기 분할된 각 부분에 대응하는 BPM 그리드의 각 면에서, 굴절율 계산을 통해 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 FDTD 방법의 사용을 결정하는 FDTD 사용 결정부를 포함하고,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 BPM을 기본 모드로서 사용하되, 상기 FDTD 사용 결정부에서의 결정에 따라 상기 BPM 또는 FDTD 방법을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 구조에 대하여 광이 진행하는 방향으로 상기 분할된 각 부분에 대응하는 BPM 그리드 각 면에 대하여 순차적으로 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하되, 금속 또는 자기 물질이 포함된 BPM 그리드 면에서는 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하여 상기 FDTD 그리드 각 면에 대하여 상기 시간 의존 데이터를 계산하며,
    상기 FDTD 그리드 면들이 끝나면 다음의 상기 BPM 그리드 면에 대한 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 BPM 그리드 각 면에서 계산된 상기 시간 무의존 데이터, 또는 상기 FDTD 그리드 각 면에서 계산된 상기 시간 의존 데이터는 실시간으로 순차적으로 상기 복합 전기장 데이터로서 상기 저장장치에 저장되거나,
    상기 BPM 그리드 면 각각에서 계산된 상기 시간 무의존 데이터, 또는 상기 FDTD 그리드 면 각각에서 계산된 상기 시간 의존 데이터는 실시간으로 순차적으로 상기 복합 전기장 데이터로서 임시 저장장치에 저장되었다가 전체 해석 구조 전체에 대한 해석이 종료되면, 상기 복합 전기장 데이터는 상기 임시 저장장치로부터 상기 저장장치에 전달되어 저장되는 것을 특징으로 전자기파 해석장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 시간 무의존 데이터는 상기 BPM 그리드 면에서 시간에 따라 불변하는 전기장에 대한 데이터이며,
    상기 시간 의존 데이터는 상기 FDTD 그리드 면에서 시간에 따라 변하는 전기장에 대한 데이터인 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 대상의 전체 또는 일부에 대하여 상기 해석 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치는,
    상기 저장장치로부터의 상기 복합 전기장 데이터에 기초하여 상기 해석 구조를 변환시키는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 해석 대상이 대한 소자에 대한 정보를 입력하는 유저 인터페이스(UI)를 포함하며,
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치는 상기 UI로부터 입력된 상기 소자에 대한 정보에 따라 상기 해석 구조를 형성하며,
    상기 저장장치는 상기 구조형성 시뮬레이션 장치 및 상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치에 요구되는 데이터들을 공급하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 해석 대상은 전자기파가 내부로 진행하는 구조를 갖는 모든 광학 소자인 것을 특징으로 하는 전자기파 해석 장치.
  14. 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치;
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아, BPM만을 사용하는 BPM 모드, FDTD 방법만을 사용하는 FDTD 모드, 및 상기 BPM과 FDTD 방법을 복합적으로 사용하는 하이브리드 모드 중 어느 하나의 모드를 이용하여 전기장에 대한 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 전기장에 대한 데이터를 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 수신부;
    상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부;
    상기 BPM 모드, 상기 FDTD 모드, 및 상기 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택하는 모드 선택부;
    상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부;
    상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부; 및
    상기 해석 구조의 분할된 각 부분에서 금속 또는 자기 물질이 포함되었는지 판단하는 물질 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 모드 선택부에서 상기 BPM 모드가 선택된 경우, 상기 BPM 시뮬레이션부만 동작하고, 상기 FDTD 모드가 선택된 경우, 상기 FDTD 시뮬레이션부만 동작하며, 상기 하이브리드 모드가 선택된 경우 상기 BPM 시뮬레이션부와 FDTD 시뮬레이션부 둘 다 동작하며,
    상기 BPM 모드 또는 상기 FDTD 모드가 선택된 경우, 상기 물질 판단부는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 구조의 복잡도를 판단하는 구조 복잡도 결정부를 더 포함하며,
    상기 모드 선택부는 상기 구조 복잡도 결정부로부터의 복잡도 정도에 따라, 상기 BPM 모드, FDTD 모드, 및 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  18. 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 구조형성 시뮬레이션 장치;
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치로부터 상기 해석 구조를 입력 받아, 상기 해석 구조에 대한 유전체 부분과 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보에 기초하여, BPM과 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여, 전기장에 대한 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 계산하는 하이브리드 광 시뮬레이션 장치; 및
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 무의존 데이터 및 시간 의존 데이터를 복합 전기장 데이터로서 저장하는 저장장치;를 포함하는 전자기파 해석장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 수신부;
    상기 해석 구조에 기초하여 초기 광원 발생을 설정하는 광원 설정부;
    상기 해석 구조에 대하여 상기 유전체 물질 부분과 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보를 갖는 섹터 정보부;
    상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 BPM 시뮬레이션부; 및
    상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존성 데이터를 계산하는 FDTD 시뮬레이션부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 섹터 정보부의 정보에 기초하여,
    상기 BPM 시뮬레이션부는 상기 유전체 물질 부분에 대하여 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하고,
    상기 FDTD 시뮬레이션부는 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대하여 상기 시간 의존 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석장치.
  21. 구조형성 시뮬레이션 장치에서, 해석 대상에 대한 해석 구조를 형성하는 단계;
    하이브리드 광 시뮬레이션 장치에서, 상기 해석 구조를 입력 받아, 상기 해석 구조에 대하여, BPM 및 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여 전기장에 대한 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터 중 적어도 하나를 계산하는 단계; 및
    상기 하이브리드 광 시뮬레이션 장치로부터 출력된 상기 시간 의존 데이터 및 시간 무의존 데이터 중 적어도 하나를 복합 전기장 데이터로서 저장장치에 저장하는 단계;를 포함하는 전자기파 해석방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나를 계산하는 단계는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 단계;
    상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계;
    상기 광원에서 발생된 광이 진행하는 방향을 따라, 상기 해석 구조의 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 단계; 및
    상기 판단하는 단계의 판단에 따라, 상기 BPM 또는 FDTD 방법에 의해 상기 분할된 각 부분에 대한 상기 시간 무의존 데이터 또는 시간 의존 데이터를 선택적으로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계 및 선택적으로 계산하는 단계는,
    BPM 시뮬레이션부에서, 상기 BPM을 위한 BPM 그리드를 형성하는 단계;
    상기 광이 진행하는 방향에 수직인 초기 면(z0)에서 광을 발생시키는 단계;
    상기 BPM 그리드의 각 면에 대한 변수인 k(k는 정수)에 1을 대입하는 단계;
    상기 BPM 그리드의 k 번째 면(zk)에 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 제1 판단 단계;
    상기 k 번째 면이 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하지 않는 경우, 상기 k 번째 면에 대하여 상기 BPM에 의해 상기 시간 무의존 데이터를 계산하는 단계;
    상기 k 번째 면이 상기 BPM 그리드의 끝인지 판단하는 제2 판단 단계; 및
    상기 BPM 그리드의 끝이 아닌 경우, 상기 k를 1 증가시키는 단계;를 포함하고,
    상기 k를 1 증가시키는 단계 이후에 상기 제1 판단 단계로 진행하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 k 번째 면이 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 경우,
    FDTD 시뮬레이션부에서, 상기 FDTD 방법을 위한 FDTD 그리드를 형성하는 단계; 및
    상기 FDTD 그리드에 대하여 상기 FDTD 방법에 의해 상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계;를 포함하고,
    상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계 이후에 상기 제2 판단 단계로 진행하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 FDTD 그리드는 상기 BPM 그리드보다 작은 간격으로 형성되며,
    상기 시간 의존 데이터를 계산하는 단계에서,
    상기 k 번째 면에 대하여, 상기 FDTD 방법에 의해 전기장 및 자기장을 계산하되, 상기 전기장 및 자기장에서 상기 전기장만을 상기 시간 의존 데이터로서 저장하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  26. 제22 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계에서, 굴절율 계산을 통해 상기 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  27. 제21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나를 계산하는 단계는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 단계;
    상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계;
    상기 BPM만을 사용하는 BPM 모드, 상기 FDTD 방법만을 사용하는 BPM 모드, 및 상기 BPM과 FDTD 방법을 복합적으로 사용하는 하이브리드 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택 여부에 따라, 상기 BPM 및 FDTD 방법 중 적어도 하나의 방법에 의해 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계에서, 상기 하이브리드 모드를 선택한 경우에,
    상기 광원에서 발생된 광이 진행하는 방향을 따라, 상기 해석 구조의 분할된 각 부분들에서 금속 또는 자기 물질이 포함되어 있는지 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계에서,
    상기 금속 또는 자기 물질 포함 여부에 따라, 상기 BPM 또는 상기 FDTD 방법을 선택적으로 적용하여 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 것을 특징으로 전자기파 해석방법.
  29. 제27 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계 이전에,
    상기 해석 구조의 복잡도를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 선택하는 단계에서 상기 복잡도에 의해 상기 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  30. 제21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나를 계산하는 단계는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 단계;
    상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계;
    BPM 시뮬레이션부에서, 상기 BPM을 위한 BPM 그리드를 형성하는 단계;
    상기 FDTD 방법을 사용할 것인지 판단하는 단계; 및
    상기 판단하는 단계의 판단에 따라, 상기 BPM만을 사용하거나, 또는 상기 BPM 및 FDTD 방법을 복합적으로 사용하여 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  31. 제21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나를 계산하는 단계는,
    상기 해석 구조를 입력 받는 단계;
    상기 해석 구조에 기초하여 광원 발생을 설정하는 단계;
    상기 해석 구조에 대하여 유전체 물질 부분과 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분에 대한 정보를 입력 받는 단계; 및
    상기 정보에 기초하여 상기 유전체 물질 부분은 상기 BPM에 의해, 그리도 상기 금속 또는 자기 물질을 포함하는 부분은 상기 FDTD 방법에 의해, 상기 복합 전기장 데이터를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  32. 제21 항에 있어서,
    광이 진행하는 방향을 따라 상기 해석 구조의 분할된 각 부분에서 계산된 상기 시간 무의존 데이터 또는 상기 시간 의존 데이터를 상기 복합 전기장 데이터로서 상기 저장장치에 실시간으로 순차적으로 저장하거나, 또는 상기 복합 전기장 데이터를 임시 저장장치에 저장하였다가 전체 해석 구조 전체에 대한 해석이 종료되면, 상기 임시 저장장치로부터 상기 저장장치에 전달하여 저장하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
  33. 제21 항에 있어서,
    상기 구조형성 시뮬레이션 장치는, 상기 해석 대상의 전체 또는 일부에 대하여 상기 해석 구조를 형성하며, 상기 저장장치에 저장된 상기 복합 전기장 데이터를 상기 해석 구조의 변환을 위해 이용하는 것을 특징으로 하는 전자기파 해석방법.
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