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26 septembre 2005 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques.

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1 26 septembre 2005 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques. Mise en œuvre et application aux circuits passifs. L. Guilloton Sous la direction de S. Tedjini et T-P. Vuong Laboratoire de Conception et dIntégration des Systèmes BP54, Valence, France

2 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Plan de la soutenance Introduction La simulation dans le domaine optique Vers une Théorie des circuits optiques Modélisation et intégration de composants optiques sous un outil de CAO Présentation de loutil ainsi que de différentes simulations Conclusions & Perspectives Démonstration de loutil développé Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

3 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Contextes et objectifs du projet Développement accru des technologies optiques Des applications de plus en plus complexes –Les télécommunications longues distances –Le transfert de données entre ordinateurs ou encore éléments de chaînes Hifi … –Les interconnections entre cartes, bus, puces, … –Les systèmes de mesures de grandeurs physiques Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

4 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Contextes et objectifs du projet Système multiplexé Des dispositifs alliant les parties électroniques et optiques sur un même substrat Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Besoin dune CAO optique efficace

5 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation Trois familles doutils de simulation Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

6 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « composant » –Principe Simulation basée sur la résolution des équations électromagnétiques régissant le fonctionnement dun composant. –Avantage Simulation réaliste tenant compte des paramètres dimensionnels et physiques du composant étudié. –Inconvénients Lourd en temps de calcul. Gourmand en mémoire. Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

7 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « composant » (suite) –Plusieurs méthodes de résolution Méthodes des différences finies. Méthodes des éléments finis. Méthodes des faisceaux propagés. –Plusieurs logiciels existant FEMLAB de Comsol Microwave Studio de Computer Simulation Technology BPM-CAD dOptiwave … Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

8 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « circuit » –Principe Simulation basée sur la représentation électrique dun composant ou dun circuit. –Avantages Permet de calculer les paramètres de transmission et de réflexion dun circuit. Simulation rapide. –Inconvénient Modélisation devant tenir compte de nombreux paramètres. Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

9 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « circuit » (suite) –Plusieurs méthodes de résolution Utilisation de matrices-S pour la simulation linéaire. Méthode de léquilibrage harmonique, de lenveloppe ou du shooting pour la simulation non-linéaire. –Logiciels existant uniquement dans le domaine électronique Designer / Serenade dAnsoft ADS dAgilent Technologies Microwave Office dApplied Wave Research … Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

10 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « système » –Principe Simulation basée sur la représentation comportementale dun composant ou dun circuit. –Avantages Simulation très rapide. Facilité de mise en œuvre. –Inconvénient Ne tient pas compte des phénomènes de réflexions (Simulation unidirectionnelle) Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

11 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « système » (suite) –Méthode de résolution Méthode basée sur la multiplication des fonctions transferts des composants constituant le système. –Plusieurs logiciels existant MATLAB-SIMULINK de Mathworks LINKSIM de RSoft COMSIS dIpsis OPTYSYS-DESIGNdOptiwave … Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

12 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation Tableau récapitulatif: Avantages / Inconvénients Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo ComposantCircuitSystème Tps de calcul Capacité mémoire Complexité de modélisation /-+ Complexité dutilisation --++ Qualité des simulations

13 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Théorie des circuits – Notions donde Notion de quadripôle Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

14 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Définition –Modèle électrique: utilise les relations de transmission et de réflexion du composant. Où les a j représentent des signaux entrant et les b i des signaux sortant du composant à modéliser. –Les paramètres-S sont définis par: Composant a1a1 a2a2 b1b1 b2b2 Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

15 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Propriétés de la matrice-S –Réciprocité: Un composant passif ne contenant pas de matériaux dits « non- réciproques » aura une matrice-S symétrique. –Conservation des puissances: Composant idéal (sans perte) Composant réel ij Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

16 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Formalisme de Jones J AB B=J.A a b u v z Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

17 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Théorie des circuits – Concepts de matrice-S La matrice-S optique [B]=[S].[A]+[C] Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

18 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques Décomposition du travail en trois niveaux hiérarchiques: –Le niveau « descriptif » –Le niveau « technologique » La fibre optique Loptique intégrée sur verre Loptique intégrée sur semi-conducteur –Le niveau « réel » Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

19 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Principe: –Boîte noire –Observation des entrées/sorties du composant à modéliser –Non prise en compte de la technologie utilisée Travail réalisé: –Modélisation dun grand nombre de composants optiques passifs –Donne la forme générique de la matrice-S du composant modélisé Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

20 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Exemple du guide optique monomode : S 22 S 11 S 12 S 21 Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

21 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Exemple du guide optique monomode : Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo S21 S12 S11 S22

22 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Principe: –Récupération des modèles de niveau 1 développé précédemment –Ajout des paramètres technologiques liés: Au substrat Au technique de fabrication … But: –Développé une bibliothèque fonctionnelle pour les technologies: À base de fibre optique À base doptique guidée sur verre À base doptique guidée sur semi-conducteur Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

23 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de la fibre optique: –Détermination de : Atténuation ( ) –Pas de formule analytique Interpolation sur courbe constructeur Indice effectif n( ) –Utilisation des coefficients de Sellmeier B j et j Constante de phase ( ) – du troisième ordre – dépend entre autre des paramètres de dispersion D, ainsi que du GVD slope S. Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

24 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Cas de loptique diffusée sur verre: –Mauvaise connaissance des paramètres du composant Indice effectif Constante de propagation Impédance donde Utilisation de la méthode numérique WKB Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo nsns ngng n sel

25 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de loptique diffusée sur verre (suite): –Développement dun outil de calcul dindice effectif Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

26 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de loptique diffusée sur verre (suite): Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Démo Conclusion

27 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de loptique intégrée sur semi-conducteur: –Plusieurs structures utilisées: Utilisation de la méthode dindice effectif pour un type de structure donné pour calculer N eff et donc ( ). Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Démo Conclusion

28 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de loptique intégrée sur semi-conducteur (suite): –Exemple du Guide Raised h w nfnf nsns ncnc Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Déterminer par léquation de Kogelnik et Ramaswamy ou sur abaque

29 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Intégration des modèles sous un outil de CAO Validation de notre approche sur un outil de CAO existant Implémentation des modèles développés en tant quUDM. –Un modèle Un fichier DLL –Chaque DLL fait appel à des fonctions de récupération de données via le simulateur Les DLLs sont ensuite intégrées au simulateur sous la forme dune bibliothèque de composants optiques. Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

30 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Intégration des modèles sous un outil de CAO – Organigramme dun code Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Création du modèle Déclaration des variables Récupération des paramètres du simulateur Calcul des paramètres-S Conversion de la matrice S Y Implémentation de la matrice-Y Déclaration du modèle Préambule

31 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Intégration des modèles sous un outil de CAO – Composants modélisés Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

32 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Intégration des modèles sous un outil de CAO – Interface de loutil Interface de loutil CAO développé Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

33 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Intégration des modèles sous un outil de CAO – Caractéristique de loutil de simulation –Simulation électrique –Décalage de la longueur donde centrale Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 0 f0f0 f1f1 f2f2 f1f1 f2f2 0 F en (Hz)

34 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Circuit à simuler Paramètres des éléments du circuit: K=0.5 L1=5m L2=10m Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

35 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Amplitude de S31 et S41 en dB Phase de S31 et S41 en degré Amplitude de S11 et S21 en dB Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo S11 S21 S31 S41

36 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Dispositif de mesure Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Laser à 1.3µm Détecteur Dispositif à étudier Analyseur de Réseau HP 8702A Signal optique modulé par un signal électrique

37 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Comparaison simulation-mesure Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Amplitude de S31 simulé en dB Amplitude de S31 mesuré en dB

38 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – Réseau de Bragg Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Amplitude de S11 en dB pour 30 tronçons Phase de S11 en degré pour 10 et 30 tronçons Interface de Fresnell Guides dindice n1 et n2 L1 = 4mmL2 = 3.998mm n1 = 1.46n2 = R = L1L1 L2L2 Amplitude de S11 en dB pour 10 tronçons 30 tronçons 10 tronçons

39 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Amplitude (en dB) de la transmission sur chacun des bras de sortie Bras 1 Bras 2 Bras 3 Bras 4

40 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Amplitude (en dB) de la transmission sur chacun des bras de sortie Phase (en degré) de la transmission sur le bras 1 Amplitude (en dB) et Phase (en degré) de la transmission sur le bras 1 Bras 1 Bras 2 Bras 3 Bras 4 Phase Amplitude Amplitude (en dB) de la transmission sur le bras 1

41 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Amplitude (en dB) de la transmission sur chacun des bras du circuit Bras 1 Bras 2 Bras 3 Bras 4 Bras 5 Bras 6 Bras 7 Bras 8

42 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Phase (en degré) de la transmission de 1vers 2 Simulation de circuits optiques – Circuit intégré diffusé sur verre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Jonctions-Y L=5cm (Bleu) L=10cm(Rouge) L= 25cm (Vert) Amplitude (en dB) de la transmission de 1vers 2 5cm 10cm 25cm 1 2

43 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Simulation de circuits optiques – Codeur OCDMA Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 2m Code 0100 (Bleu) 5m Code 1010 (Rouge) 12m Code 0101 (Vert) 1 2 Phase (en degré) de la transmission de 1vers 2 Retard (en ns) de la transmission de 1vers

44 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Conclusion Nécessité de développer différentes familles doutils de CAO pour le large panel dapplication –Composant –Circuit –Système Utilisation de matrice-S généralisée aux spécificités du domaine optique Utilisation de matrice de Jones Réalisation dune bibliothèque non-exhaustive de modèles de composants optiques utilisant plusieurs technologies de fabrication: –Optique fibrée –Optique diffusée sur verre –Optique intégrée sur semi-conducteur Simulation de nombreux circuits optiques connues Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

45 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Perspectives Introduire une démarche CAO optique auprès des utilisateurs Intégrer des modèles de composants dédiés à un constructeur donné Implémenter des composants actifs et non-linéaires dans le simulateur: – sources optiques – détecteurs –… Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo

46 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Paramètres des éléments du circuit: K=0.5 L1=5m L2=10m Démonstration de loutil développé – Application au Mach-Zenhder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Circuit à simuler

47 26 septembre /47 Contribution au développement dune CAO pour les circuits optiques… Merci de votre attention (ou de votre patience) Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo


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