Fabrication-aware inverse-designed Y-junctions for multiple asymmetric splitting ratios: trade-off between bandwidth, excess loss, and tolerance

Énoncé du problème

Les jonctions en Y sont des composants passifs fondamentaux dans les circuits photoniques intégrés (PIC), essentiels pour la division, la combinaison et l'aiguillage de la puissance optique sur puce. Bien qu'elles offrent des avantages tels qu'un fonctionnement à large bande passante, une faible réflexion et une facilité de cascade, leur déploiement pratique est entravé par la sensibilité aux erreurs de fabrication. Les dispositifs de conception inverse conventionnels reposent souvent sur des contrôles géométriques locaux délicats qui, lorsqu'ils sont soumis à des variations de processus (par exemple, sur-gravure, sous-gravure, rugosité des parois ou arrondi des pointes), souffrent de désadaptation de mode, de pertes par diffusion et de déviations du rapport de division.

Les méthodes de conception existantes peinent à atteindre simultanément une taille compacte, des rapports de division asymétriques multiples et une grande robustesse à la fabrication. De plus, bien que la conception inverse ait fait progresser les performances des dispositifs, de nombreuses approches manquent d'une considération explicite pour la fabricabilité et les variations de processus, ce qui entraîne une dégradation des performances dans les systèmes en cascade réels où les erreurs s'accumulent.

Méthodologie

Les auteurs proposent un cadre d'optimisation robuste orienté vers la fabrication pour la conception de diviseurs en Y sur une plateforme standard de silicium sur isolant (SOI) (cœur de silicium de 220 nm, oxyde enterré de 3 µm). La méthodologie emploie une approche d'optimisation par phases combinant l'optimisation adaptative de forme, l'optimisation des guides d'ondes courbes et les algorithmes de recherche binaire directe (DBS).

1. Stratégie d'optimisation par phases :

• Étape 1 (Optimisation de la forme) : La région de couplage de la jonction en Y est optimisée à l'aide d'un algorithme adaptatif de forme afin de maximiser l'intensité du champ électrique au point cible, minimisant ainsi la perte d'insertion entre les guides d'ondes d'entrée et de sortie.
• Étape 2 (Optimisation des guides d'ondes courbes) : Les régions des branches courbes sont davantage optimisées pour minimiser la diffusion et la perte de mode causées par la courbure, assurant une transition de champ fluide.

2. Optimisation de la robustesse :
Reconnaissant que la déviation de l'épaisseur du silicium est le facteur sensible dominant (plus précisément les déviations négatives), les auteurs introduisent une stratégie de réoptimisation robuste locale autour de l'optimum nominal. Au lieu d'un nouveau design global, ils relâchent certains points de contrôle de spline spécifiques tout en en fixant d'autres. Deux fonctions objectives robustes sont définies pour équilibrer la performance nominale et la tolérance aux coins de fabrication :

• Schéma 1 : Pondère la réponse nominale ($J_{nom}$) et la réponse sous une déviation d'épaisseur de -20 nm ($J_{h-20}$).
• Schéma 2 : Ajoute une déviation intermédiaire de -10 nm ($J_{h-10}$) à la fonction objectif pour assurer une performance plus régulière sur une plage de biais d'épaisseur négatifs.

3. Contrôle du rapport de division asymétrique :
Pour obtenir des rapports de division asymétriques multiples (4:6, 3:7, 2:8) sans redessiner toute la topologie ou introduire des pixels numériques complexes, les auteurs appliquent des perturbations de bordure locales à la région de courbure de la deuxième branche de la branche en Y symétrique à haute transmission.

• Des décalages géométriques lisses et contraints sont appliqués aux limites des branches supérieure et inférieure à l'aide d'une fonction enveloppe qui culmine dans la région de courbure et s'atténue près des ports pour éviter les coins saillants.
• L'optimisation minimise une fonction de coût ($L$) comprenant l'erreur de rapport de division, la perte de transmission totale et un terme de pénalité géométrique ($P_g$) pour garantir la fabricabilité.

Contributions clés

• Conception robuste axée sur la fabrication : Intègre explicitement les modèles de variation de processus (spécifiquement le biais négatif d'épaisseur de silicium) dans la fonction objectif de la conception inverse, allant au-delà de l'optimisation uniquement nominale pour améliorer la répétabilité dans des conditions de fabrication réelles.
• Cadre unifié multi-rapports : Démontre une approche de conception unifiée qui supporte plusieurs rapports de division asymétriques (4:6, 3:7, 2:8) en perturbant une seule structure de base symétrique robuste, évitant ainsi le besoin de topologies distinctes pour chaque rapport.
• Réglage de faible complexité : Propose une méthode qui préserve la continuité et la fabricabilité du design initial en évitant les caractéristiques discrètes de sous-longueur d'onde, contrastant avec la conception par pixels ou les méthodes d'apprentissage profond qui nécessitent de vastes ensembles de données d'entraînement ou des processus de fabrication complexes.

Résultats

1. Caractéristiques optiques fondamentales :
La jonction en Y optimisée présente un fonctionnement à large bande passante et à faible perte entre 1200 et 2000 nm.

• Transmission : Reste supérieure à 0,9, culminant à environ 0,9912 près de la longueur d'onde centrale.
• Perte d'insertion : Varie de 0,0385 à 0,4504 dB, restant inférieure à 0,2 dB pour la majeure partie de la plage 1200–1900 nm.

2. Analyse de la robustesse et de la tolérance :

• Erreurs de largeur et d'écart : Le dispositif montre une bonne tolérance aux déviations de largeur et d'écart de ±20 nm, la perte d'insertion restant inférieure à 0,2 dB dans la plage 1200–1900 nm.
• Erreurs d'épaisseur : La déviation négative d'épaisseur (-20 nm) est identifiée comme le facteur critique, augmentant significativement la perte d'insertion maximale à environ 0,7444 dB par rapport aux erreurs de largeur et d'écart. La stratégie d'optimisation robuste vise à atténuer cette sensibilité par rapport à un design uniquement nominal en pondérant explicitement le coin de -20 nm dans la fonction objectif, bien que l'article note que la déviation d'épaisseur reste le facteur de sensibilité au processus le plus important affectant la performance.

3. Rapports de division asymétriques :
La méthode de perturbation de bordure locale a permis d'atteindre les rapports cibles avec une grande précision :

• Division 4:6 : Rapport atteint de 3,96:6,04 ; Transmission totale ($T_{total}$) = 0,803 ; Pénalité géométrique ($P_g$) = 0,00335.
• Division 3:7 : Rapport atteint de 3,03:6,97 ; Transmission totale ($T_{total}$) = 0,704 ; Pénalité géométrique ($P_g$) = 0,00608.
• Division 2:8 : Rapport atteint de 1,96:8,04 ; Transmission totale ($T_{total}$) = 0,615 ; Pénalité géométrique ($P_g$) = 0,014.

Les résultats indiquent un compromis : à mesure que le rapport de division devient plus asymétrique, la transmission totale diminue et la déformation géométrique augmente, mais la méthode reste efficace pour une asymétrie modérée à forte.

Signification et revendications

L'article affirme fournir une référence pratique pour la conception de dispositifs photoniques intégrés performants, évolutifs et fabricables. En abordant le compromis entre la largeur de bande, l'excès de perte et la tolérance de fabrication, ce travail vise à faire progresser l'application technique des jonctions en Y dans :

• Le calcul optique : Fournir une distribution de puissance flexible pour le calcul neuromorphique photonique.
• Les interconnexions optiques : Permettre un routage de signaux à large bande et à faible perte.
• Les systèmes photoniques intégrés : Soutenir des réseaux optiques complexes, la surveillance de la puissance sur puce et les boucles de contrôle par rétroaction.

Les auteurs soulignent que leur approche améliore la faisabilité pratique des dispositifs issus de la conception inverse en tenant compte explicitement des contraintes de fabrication, réduisant ainsi l'écart de performance entre la simulation et la réalité fabriquée.