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

Problema

Os junções em Y são componentes passivos fundamentais em circuitos fotônicos integrados (PICs), essenciais para a divisão, combinação e roteamento de potência óptica em chip. Embora ofereçam vantagens como operação de banda larga, baixa reflexão e facilidade de cascateamento, sua implementação prática é dificultada pela sensibilidade a erros de fabricação. Os dispositivos de design inverso convencionais frequentemente dependem de controles geométricos locais delicados que, quando sujeitos a variações de processo (ex: sobre-etching, sub-etching, rugosidade das paredes laterais ou arredondamento de pontas), sofrem com descasamento de modo, perda por espalhamento e desvios na razão de divisão.

Métodos de design existentes lutam para alcançar simultaneamente tamanho compacto, múltiplas razões de divisão assimétricas e robustez de fabricação. Além disso, embora o design inverso tenha avançado o desempenho dos dispositivos, muitas abordagens carecem de consideração explícita para manufaturabilidade e variações de processo, levando à degradação do desempenho em sistemas cascateados do mundo real, onde os erros se acumulam.

Metodologia

Os autores propõem uma estrutura de otimização robusta orientada à fabricação para projetar divisores Y-junction em uma plataforma padrão de Silício sobre Isolante (SOI) (núcleo de silício de 220 nm, 3 µm de óxido enterrado). A metodologia emprega uma abordagem de otimização em fases combinando otimização de forma adaptativa, otimização de guia de onda curvo e algoritmos de Busca Binária Direta (DBS).

1. Estratégia de Otimização em Fases:

• Estágio 1 (Otimização de Forma): A região de acoplamento da junção Y é otimizada usando um algoritmo de forma adaptativa para maximizar a intensidade do campo elétrico no alvo, minimizando a perda de inserção entre os guias de onda de entrada e saída.
• Estágio 2 (Otimização de Guia de Onda Curvo): As regiões de ramos curvos são futuramente otimizadas para minimizar o espalhamento e a perda de modo causados pela curvatura, garantindo uma transição suave de campo.

2. Otimização de Robustez:
Reconhecendo que o desvio da espessura do silício é o fator de sensibilidade dominante (especificamente desvios negativos), os autores introduzem uma estratégia de reotimização robusta local em torno do ótimo nominal. Em vez de um redesenho global, eles liberam pontos de controle de spline específicos enquanto fixam outros. Duas funções de objetivo robustas são definidas para equilibrar o desempenho nominal com a tolerância a cantos de fabricação:

• Esquema 1: Pesa a resposta nominal ($J_{nom}$) e a resposta sob um desvio de espessura de -20 nm ($J_{h-20}$).
• Esquema 2: Adiciona um desvio intermediário de -10 nm ($J_{h-10}$) à função objetivo para garantir um desempenho mais suave através de uma gama de vieses de espessura negativos.

3. Controle de Razão de Divisão Assimétrica:
Para alcançar múltiplas razões de divisão assimétricas (4:6, 3:7, 2:8) sem redesenhar toda a topologia ou introduzir pixels digitais complexos, os autores aplicam perturbações de contorno locais à região de curva do ramo do segundo estágio da estrutura simétrica de alto desempenho de transmissão.

• Deslocamentos geométricos suaves e restritos são aplicados às fronteiras dos ramos superior e inferior usando uma função de envelope que atinge o pico na região de curvatura e diminui perto das portas para evitar cantos agudos.
• A otimização minimiza uma função de custo ($L$) composta pelo erro da razão de divisão, perda de transmissão total e um termo de penalidade geométrica ($P_g$) para garantir a manufaturabilidade.

Principuições Contribuições

• Design Robusto Consciente da Fabricação: Incorpora explicitamente modelos de variação de processo (especificamente o viés negativo de espessura do silício) na função objetivo de design inverso, indo além da otimização apenas nominal para melhorar a repetibilidade sob condições de fabricação práticas.
• Estrutura Unificada de Múltiplas Razões: Demonstra uma abordagem de design unificada que suporta múltiplas razões de divisão assimétricas (4:6, 3:7, 2:8) ao perturbar uma única estrutura base simétrica robusta, evitando a necessidade de topologias distintas para cada razão.
• Ajuste de Baixa Complexidade: Propõe um método que preserva a continuidade e a manufaturabilidade do design inicial ao evitar recursos discretos sub-comprimento de onda, contrastando com o design inverso pixelado ou métodos de aprendizado profundo que requerem extensos dados de treinamento ou computação complexa.

Resultados

1. Características Ópticas Fundamentais:
O Y-branch otimizado exibe operação de baixa perda em banda larga através da faixa de comprimento de onda de 1200–2000 nm.

• Transmissão: Permanece acima de 0,9, atingindo o pico de ~0,9912 próximo ao comprimento de onda central.
• Perda de Inserção: Varia de 0,0385 a 0,4504 dB, permanecendo abaixo de 0,2 dB para a maior parte da faixa de 1200–1900 nm.

2. Análise de Robustez e Tolerância:

• Erros de Largura e Gap: O dispositivo mostra boa tolerância a desvios de largura e gap de ±20 nm, com a perda de inserção permanecendo abaixo de 0,2 dB na faixa de 1200–1900 nm.
• Erros de Espessura: O desvio de espessura negativa (-20 nm) é identificado como o fator crítico, aumentando significativamente a perda de inserção máxima para ~0,7444 dB em comparação com os erros de largura e gap. A estratégia de otimização robusta visa mitigar essa sensibilidade em relação a um design apenas nominal, ao pesar explicitamente o canto de -20 nm na função objetivo, embora o artigo note que o desvio de espessura continua sendo o fator mais sensível ao processo que afeta o desempenho.

3. Razões de Divisão Assimétricas:
O método de perturbação de contorno local alcançou com sucesso as razões alvo com alta precisão:

• Divisão 4:6: Alcançou a razão 3,96:6,04; Transmissão total ($T_{total}$) = 0,803; Penalidade geométrica ($P_g$) = 0,00335.
• Divisão 3:7: Alcançou a razão 3,03:6,97; $T_{total}$ = 0,704; $P_g$ = 0,00608.
• Divisão 2:8: Alcançou a razão 1,96:8,04; $T_{total}$ = 0,615; $P_g$ = 0,014.

Os resultados indicam um compromisso (trade-off): conforme a razão de divisão torna-se mais assimétrica, a transmissão total diminui e a deformação geométrica aumenta, mas o método permanece eficaz para assimetrias moderadas a fortes.

Significância e Alegações

O artigo afirma fornecer uma referência prática para projetar dispositivos fotônicos integrados de alto desempenho, escaláveis e manufaturáveis. Ao abordar o compromisso entre largura de banda, perda excessiva e tolerância de fabricação, o trabalho visa avançar a aplicação de engenharia de Y-junctions em:

• Computação Óptica: Fornecendo distribuição de potência flexível para computação fotônica neuromórfica.
• Interconexões Ópticas: Permitindo roteamento de sinais de banda larga e baixa perda.
• Sistemas Fotônicos Integrados: Suportando redes ópticas complexas, monitoramento de potência em chip e loops de controle de feedback.

Os autores enfatizam que sua abordagem melhora a viabilidade prática de dispositivos projetados via design inverso ao considerar explicitamente as restrições de manufatura, reduzindo assim a lacuna de desempenho entre a simulação e a realidade fabricada.