Conception dephotoniquecircuit intégré
circuits intégrés photoniquesLes (PIC) sont souvent conçus à l'aide de scripts mathématiques en raison de l'importance de la longueur du trajet dans les interféromètres ou d'autres applications sensibles à la longueur du trajet.PHOTOLe circuit intégré photonique (PIC) est fabriqué par dépôt de plusieurs couches (généralement de 10 à 30) sur une plaquette. Ces couches sont composées de nombreuses formes polygonales, souvent représentées au format GDSII. Avant d'envoyer le fichier au fabricant de photomasques, il est fortement recommandé de simuler le PIC afin de vérifier la validité de la conception. La simulation se divise en plusieurs niveaux : le niveau le plus bas est la simulation électromagnétique (EM) tridimensionnelle, réalisée à l'échelle sub-longueur d'onde, bien que les interactions entre les atomes du matériau soient traitées à l'échelle macroscopique. Les méthodes typiques incluent la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) tridimensionnelle et le développement en modes propres (EME). Ces méthodes sont les plus précises, mais leur durée est trop longue pour la simulation complète du PIC. Le niveau suivant est la simulation EM 2,5D, telle que la propagation de faisceau par différences finies (FD-BPM). Ces méthodes sont beaucoup plus rapides, mais perdent en précision et ne peuvent traiter que la propagation paraxiale ; elles ne peuvent donc pas être utilisées pour simuler des résonateurs, par exemple. L'étape suivante consiste en une simulation électromagnétique 2D, comme la méthode FDTD 2D et la méthode BPM 2D. Ces simulations sont également plus rapides, mais leurs fonctionnalités sont limitées ; par exemple, elles ne permettent pas de simuler les rotateurs de polarisation. Une étape supplémentaire est la simulation par matrice de transmission et/ou de diffusion. Chaque composant principal est réduit à un composant doté d'une entrée et d'une sortie, et le guide d'ondes connecté est réduit à un élément de déphasage et d'atténuation. Ces simulations sont extrêmement rapides. Le signal de sortie est obtenu en multipliant la matrice de transmission par le signal d'entrée. La matrice de diffusion (dont les éléments sont appelés paramètres S) multiplie les signaux d'entrée et de sortie d'un côté du composant pour obtenir les signaux d'entrée et de sortie de l'autre côté. En résumé, la matrice de diffusion contient la réflexion à l'intérieur de l'élément. La matrice de diffusion est généralement deux fois plus grande que la matrice de transmission dans chaque dimension. En résumé, de la simulation électromagnétique 3D à la simulation de matrice de transmission/diffusion, chaque couche de simulation présente un compromis entre vitesse et précision, et les concepteurs choisissent le niveau de simulation adapté à leurs besoins spécifiques afin d'optimiser le processus de validation de la conception.
Cependant, le recours à la simulation électromagnétique de certains éléments et à une matrice de diffusion/transfert pour simuler l'ensemble du circuit intégré photonique (PIC) ne garantit pas une conception parfaitement correcte en amont de la plaque de flux. Par exemple, des longueurs de trajet mal calculées, des guides d'ondes multimodes incapables de supprimer efficacement les modes d'ordre élevé, ou deux guides d'ondes trop proches l'un de l'autre, engendrant des problèmes de couplage inattendus, risquent de passer inaperçus lors de la simulation. Par conséquent, bien que les outils de simulation avancés offrent de puissantes capacités de validation de conception, une grande vigilance et une inspection minutieuse de la part du concepteur, combinées à une expérience pratique et à des connaissances techniques, restent indispensables pour garantir la précision et la fiabilité de la conception et réduire les risques liés au schéma de procédé.
Une technique appelée FDTD parcimonieuse permet d'effectuer des simulations FDTD 3D et 2D directement sur une conception PIC complète afin de la valider. Bien qu'il soit difficile pour tout outil de simulation électromagnétique de simuler une PIC de très grande taille, la FDTD parcimonieuse est capable de simuler une zone locale relativement étendue. Dans la FDTD 3D traditionnelle, la simulation commence par l'initialisation des six composantes du champ électromagnétique au sein d'un volume quantifié spécifique. Au fil du temps, la nouvelle composante du champ dans le volume est calculée, et ainsi de suite. Chaque étape nécessitant de nombreux calculs, la simulation est longue. Dans la FDTD 3D parcimonieuse, au lieu de calculer à chaque étape en chaque point du volume, une liste de composantes du champ est maintenue. Cette liste peut théoriquement correspondre à un volume arbitrairement grand et n'est calculée que pour ces composantes. À chaque étape, les points adjacents aux composantes du champ sont ajoutés, tandis que les composantes inférieures à un certain seuil de puissance sont supprimées. Pour certaines structures, ce calcul peut être plusieurs ordres de grandeur plus rapide que la FDTD 3D traditionnelle. Cependant, les méthodes FDTDS éparses sont peu performantes avec les structures dispersives car le champ temporel s'étend excessivement, générant des listes trop longues et difficiles à gérer. La figure 1 présente une capture d'écran d'une simulation FDTD 3D similaire à un séparateur de faisceau polarisant (PBS).
Figure 1 : Résultats de simulation par FDTD 3D parcimonieuse. (A) Vue de dessus de la structure simulée, un coupleur directionnel. (B) Capture d’écran d’une simulation avec excitation quasi-TE. Les deux schémas supérieurs représentent les signaux quasi-TE et quasi-TM en vue de dessus, et les deux schémas inférieurs, leurs coupes transversales respectives. (C) Capture d’écran d’une simulation avec excitation quasi-TM.
Date de publication : 23 juillet 2024