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

Problema

Le giunzioni a Y sono componenti passivi fondamentali nei circuiti fotonici integrati (PIC), essenziali per la divisione, la combinazione e l'instradamento della potenza ottica su chip. Sebbene offrano vantaggi quali l'operatività a banda larga, la bassa riflessione e la facilità di cascata, il loro dispiegamento pratico è ostacolato dalla sensibilità agli errori di fabbricazione. I dispositivi progettati tramite design inverso convenzionale spesso si affidano a controlli geometrici locali delicati che, se sottoposti a variazioni di processo (ad esempio, sovra-incisione, sotto-incisione, rugosità delle pareti o arrotondamento della punta), soffrono di disadattamento modale, perdita di scattering e deviazioni del rapporto di divisione.

I metodi di progettazione esistenti faticano a ottenere simultaneamente dimensioni compatte, molteplici rapporti di divisione asimmetrici e un'elevata robustezza alla fabbricazione. Inoltre, sebbene il design inverso abbia fatto avanzare le prestazioni dei dispositivi, molti approcci mancano di una considerazione esplicita della fabbricabilità e delle variazioni di processo, portando a un degrado delle prestazioni nei sistemi a cascata reali dove gli errori si accumulano.

Metodologia

Gli autori propongono un framework di ottimizzazione robusta orientata alla fabbricazione per la progettazione di splitter a giunzione Y su una piattaforma standard Silicon-on-Insulator (SOI) (core di silicio da 220 nm, ossido sepolto da 3 µm). La metodologia impiega un approccio di ottimizzazione a fasi che combina l'ottimizzazione adattiva della forma, l'ottimizzazione delle guide d'onda curve e gli algoritmi di Direct Binary Search (DBS).

1. Strategia di Ottimizzazione a Fasi:

• Fase 1 (Ottimizzazione della Forma): La regione di accoppiamento della giunzione Y viene ottimizzata utilizzando un algoritmo adattivo alla forma per massimizzare l'intensità del campo elettrico nel target, minimizzando la perdita di inserzione tra le guide d'onda di ingresso e di uscita.
• Fase 2 (Ottimizzazione della Guida d'Onda Curva): Le regioni dei rami curvi sono ulteriormente ottimizzate per minimizzare lo scattering e la perdita di modo causati dalla curvatura, garantendo una transizione fluida del campo.

2. Ottimizzazione della Robustezza:
Riconoscendo che la deviazione dello spessore del silicio è il fattore di sensibilità dominante (specificamente le deviazioni negative), gli autori introducono una strategia di ri-ottimizzazione robusta locale attorno all'ottimo nominale. Invece di un ri-design globale, rilasciano specifici punti di controllo spline fissando altri. Sono definite due funzioni obiettivo robuste per bilanciare la prestazione nominale con la tolleranza ai corner di fabbricazione:

• Schema 1: Pesa la risposta nominale ($J_{nom}$) e la risposta sotto una deviazione di spessore di -20 nm ($J_{h-20}$).
• Schema 2: Aggiunge una deviazione intermedia di -10 nm ($J_{h-10}$) alla funzione obiettivo per garantire una prestazione più fluida attraverso un intervallo di bias di spessore negativi.

3. Controllo del Rapporto di Divisione Asimmetrico:
Per ottenere molteplici rapporti di divisione asimmetrici (4:6, 3:7, 2:8) senza ridisegnare l'intera topologia o introdurre complessi pixel digitali, gli autori applicano perturbazioni locali dei bordi alla regione di curva del ramo della seconda fase della giunzione Y simmetrica ad alta trasmissione.

• Offset geometrici fluidi e vincolati vengono applicati ai bordi dei rami superiore e inferiore utilizzando una funzione inviluppo che raggiunge il picco nella regione di curvatura e decresce vicino ai port per evitare angoli acuti.
• L'ottimizzazione minimizza una funzione di costo ($L$) composta dall'errore del rapporto di divisione, dalla perdita totale di trasmissione e da un termine di penalità geometrica ($P_g$) per garantire la fabbricabilità.

Contributi Chiave

• Design Robusto Consapevole della Fabbricazione: Incorpora esplicitamente i modelli di variazione di processo (specificamente il bias negativo dello spessore del silicio) nella funzione obiettivo del design inverso, andando oltre l'ottimizzazione solo nominale per migliorare la ripetibilità nelle condizioni pratiche di fabbricazione.
• Framework Unificato Multi-Rapporto: Dimostra un approccio di design unificato che supporta molteplici rapporti di divisione asimmetrici (4:6, 3:7, 2:8) perturbando una singola struttura simmetrica robusta di base, evitando la necessità di topologie distinte per ogni rapporto.
• Tuning a Bassa Complessità: Propone un metodo che preserva la continuità e la fabbricabilità del design iniziale evitando caratteristiche sub-lunghezza d'onda discrete, contrastando con il design inverso a pixel o i metodi di deep learning che richiedono estesi dati di addestramento o una fabbricazione complessa.

Risultati

1. Caratteristiche Ottiche Fondamentali:
La giunzione a Y ottimizzata esibisce un'operatività a banda larga a bassa perdita nell'intervallo di lunghezza d'onda 1200–2000 nm.

• Trasmissione: Rimane sopra lo 0,9, con un picco di ~0,9912 vicino alla lunghezza d'onda centrale.
• Perdita di Inserzione: Varia da 0,0385 a 0,4504 dB, rimanendo al di sotto di 0,2 dB per la maggior parte dell'intervallo 1200–1900 nm.

2. Analisi di Robustezza e Tolleranza:

• Errori di Larghezza e Gap: Il dispositivo mostra una buona tolleranza alle deviazioni di larghezza e gap di ±20 nm, con la perdita di inserzione che rimane al di sotto di 0,2 dB nell'intervallo 1200–1900 nm.
• Errori di Spessore: La deviazione negativa dello spessore (-20 nm) è identificata come il fattore critico, aumentando significativamente la perdita di inserzione massima a ~0,7444 dB rispetto agli errori di larghezza e gap. La strategia di ottimizzazione robusta mira a mitigare questa sensibilità rispetto a un design solo nominale pesando esplicitamente il corner a -20 nm nella funzione obiettivo, sebbene il paper noti che la deviazione di spessore rimane il fattore più significativo che influenza le prestazioni in termini di sensibilità al processo.

3. Rapporti di Divisione Asimmetrici:
Il metodo di perturbazione locale dei bordi ha ottenuto con successo i rapporti target con alta precisione:

• Split 4:6: Rapporto ottenuto 3,96:6,04; Trasmissione totale ($T_{total}$) = 0,803; Penalità geometrica ($P_g$) = 0,00335.
• Split 3:7: Rapporto ottenuto 3,03:6,97; Trasmissione totale ($T_{total}$) = 0,704; Penalità geometrica ($P_g$) = 0,00608.
• Split 2:8: Rapporto ottenuto 1,96:8,04; Trasmissione totale ($T_{total}$) = 0,615; Penalità geometrica ($P_g$) = 0,014.

I risultati indicano un compromesso: man mano che il rapporto di divisione diventa più asimmetrico, la trasmissione totale diminuisce e la deformazione geometrica aumenta, ma il metodo rimane efficace per asimmetrie da moderate a forti.

Significatività e Rivendicazioni

Il documento afferma di fornire un riferimento pratico per la progettazione di dispositivi fotonici integrati ad alte prestazioni, scalabili e fabbricabili. Affrontando il compromesso tra larghezza di banda, perdita eccessiva e tolleranza alla fabbricazione, il lavoro mira ad avanzare l'applicazione ingegneristica delle giunzioni a Y in:

• Calcolo Ottico: Fornire una distribuzione flessibile della potenza per il calcolo neuromorfico fotonico.
• Interconnessioni Ottiche: Abilitare l'instradamento di segnali a banda larga e bassa perdita.
• Sistemi Fotonici Integrati: Supportare reti ottiche complesse, monitoraggio della potenza su chip e loop di controllo a feedback.

Gli autori sottolineano che il loro approccio migliora la fattibilità pratica dei dispositivi progettati tramite design inverso tenendo esplicitamente conto dei vincoli di produzione, riducendo così il divario di prestazioni tra la simulazione e la realtà fabbricata.