Laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes Contribution au développement d’une 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 d’Intégration des Systèmes BP54, 26902 Valence, France

Plan de la soutenance Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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 l’outil ainsi que de différentes simulations Conclusions & Perspectives Démonstration de l’outil développé

Contextes et objectifs du projet Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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

Contextes et objectifs du projet Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Contextes et objectifs du projet Système multiplexé Des dispositifs alliant les parties électroniques et optiques sur un même substrat  Besoin d’une CAO optique efficace

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation Trois familles d’outils de simulation

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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 d’un 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 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 d’Optiwave …

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « circuit » Principe Simulation basée sur la représentation électrique d’un composant ou d’un circuit. Avantages Permet de calculer les paramètres de transmission et de réflexion d’un circuit. Simulation rapide. Inconvénient Modélisation devant tenir compte de nombreux paramètres.

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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 l’équilibrage harmonique, de l’enveloppe ou du shooting pour la simulation non-linéaire. Logiciels existant uniquement dans le domaine électronique Designer / Serenade d’Ansoft ADS d’Agilent Technologies Microwave Office d’Applied Wave Research …

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation La simulation de type « système » Principe Simulation basée sur la représentation comportementale d’un composant ou d’un 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 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 d’Ipsis OPTYSYS-DESIGN d’Optiwave …

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo La simulation dans le domaine optique – Différents niveaux de simulation Tableau récapitulatif: Avantages / Inconvénients Composant Circuit Système Tps de calcul --- + ++ Capacité mémoire Complexité de modélisation / - Complexité d’utilisation -- Qualité des simulations +++

Théorie des circuits – Notions d’onde Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Théorie des circuits – Notions d’onde Notion de quadripôle

Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Définition Modèle électrique: utilise les relations de transmission et de réflexion du composant. Où les aj représentent des signaux entrant et les bi des signaux sortant du composant à modéliser. Les paramètres-S sont définis par: Composant a1 a2 b1 b2

Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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  i≠j i≠j

Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Formalisme de Jones a b u v z J A B B=J.A

Théorie des circuits – Concepts de matrice-S Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Théorie des circuits – Concepts de matrice-S La matrice-S optique [B]=[S].[A]+[C]

Modélisation de composants optiques Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques Décomposition du travail en trois niveaux hiérarchiques: Le niveau « descriptif » Le niveau « technologique » La fibre optique L’optique intégrée sur verre L’optique intégrée sur semi-conducteur Le niveau « réel »

Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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 d’un grand nombre de composants optiques passifs Donne la forme générique de la matrice-S du composant modélisé

Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Exemple du guide optique monomode : S11 S12 S21 S22

Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif Exemple du guide optique monomode : S11 S12 S21 S22

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo 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 d’optique guidée sur verre À base d’optique guidée sur semi-conducteur

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de la fibre optique: Détermination de G: Atténuation a(w) Pas de formule analytique  Interpolation sur courbe constructeur Indice effectif n(w) Utilisation des coefficients de Sellmeier Bj et wj Constante de phase b(w) b du troisième ordre b dépend entre autre des paramètres de dispersion D, ainsi que du GVD slope S.

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de l’optique diffusée sur verre: Mauvaise connaissance des paramètres du composant Indice effectif Constante de propagation Impédance d’onde Utilisation de la méthode numérique WKB nsel ns ng

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de l’optique diffusée sur verre (suite): Développement d’un outil de calcul d’indice effectif

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Démo Conclusion Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de l’optique diffusée sur verre (suite):

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Démo Conclusion Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de l’optique intégrée sur semi-conducteur: Plusieurs structures utilisées: Utilisation de la méthode d’indice effectif pour un type de structure donné pour calculer Neff et donc b(w).

Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique Cas de l’optique intégrée sur semi-conducteur (suite): Exemple du Guide Raised h w nf ns nc Déterminer par l’équation de Kogelnik et Ramaswamy ou sur abaque

Intégration des modèles sous un outil de CAO Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Intégration des modèles sous un outil de CAO Validation de notre approche sur un outil de CAO existant Implémentation des modèles développés en tant qu’UDM. 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 d’une bibliothèque de composants optiques.

Intégration des modèles sous un outil de CAO – Organigramme d’un code Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Intégration des modèles sous un outil de CAO – Organigramme d’un code 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

Intégration des modèles sous un outil de CAO – Composants modélisés Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Intégration des modèles sous un outil de CAO – Composants modélisés

Intégration des modèles sous un outil de CAO – Interface de l’outil Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Intégration des modèles sous un outil de CAO – Interface de l’outil Interface de l’outil CAO développé

Intégration des modèles sous un outil de CAO – Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Intégration des modèles sous un outil de CAO – Caractéristique de l’outil de simulation Simulation électrique Décalage de la longueur d’onde centrale f0 f1 f2 F en (Hz)

Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Circuit à simuler 1 3 2 4 Paramètres des éléments du circuit: K=0.5 L1=5m L2=10m

Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Amplitude de S31 et S41 en dB Amplitude de S11 et S21 en dB Phase de S31 et S41 en degré S31 S41 S11 S21

Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Dispositif de mesure Laser à 1.3µm Détecteur Dispositif à étudier Analyseur de Réseau HP 8702A Signal optique modulé par un signal électrique

Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre Comparaison simulation-mesure Amplitude de S31 simulé en dB Amplitude de S31 mesuré en dB

Simulation de circuits optiques – Réseau de Bragg Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Réseau de Bragg Interface de Fresnell Guides d’indice n1 et n2 L1 = 4mm L2 = 3.998mm n1 = 1.46 n2 = 1.4605 R = 0.0131 L1 L2 Amplitude de S11 en dB pour 10 tronçons Amplitude de S11 en dB pour 30 tronçons Phase de S11 en degré pour 10 et 30 tronçons 30 tronçons 10 tronçons

Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder de la transmission sur chacun des bras de sortie Amplitude (en dB) Bras 1 Bras 2 Bras 3 Bras 4

Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Amplitude (en dB) et Phase (en degré) de la transmission sur le bras 1 de la transmission sur le bras 1 Phase (en degré) de la transmission sur chacun des bras de sortie Amplitude (en dB) Amplitude (en dB) de la transmission sur le bras 1 Bras 1 Bras 2 Bras 3 Bras 4 Phase Amplitude

Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder 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

Simulation de circuits optiques – Circuit intégré diffusé sur verre Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Circuit intégré diffusé sur verre 1 2 Phase (en degré) de la transmission de 1vers 2 Amplitude (en dB) de la transmission de 1vers 2 Jonctions-Y 5cm L=5cm (Bleu) L=10cm(Rouge) L= 25cm (Vert) 10cm 25cm

Simulation de circuits optiques – Codeur OCDMA Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Simulation de circuits optiques – Codeur OCDMA 1 2 Phase (en degré) de la transmission de 1vers 2 Retard (en ns) de la transmission de 1vers 2 2m  Code 0100 (Bleu) 5m  Code 1010 (Rouge) 12m  Code 0101 (Vert) 0100 1010 0101

Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Conclusion Nécessité de développer différentes familles d’outils de CAO pour le large panel d’application Composant Circuit Système Utilisation de matrice-S généralisée aux spécificités du domaine optique  Utilisation de matrice de Jones Réalisation d’une 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 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 …

Démonstration de l’outil développé – Application au Mach-Zenhder Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Démonstration de l’outil développé – Application au Mach-Zenhder Circuit à simuler Paramètres des éléments du circuit: K=0.5 L1=5m L2=10m

Merci de votre attention (ou de votre patience) Introduction Simu optique Théorie circuit Modélis° et … Simulation Conclusion Démo Merci de votre attention (ou de votre patience)