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26 septembre 2005
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
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
26 septembre 2005 2/47
Contribution au développement d’une 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 l’outil ainsi que de différentes
simulations• Conclusions & Perspectives• Démonstration de l’outil développé
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 3/47
Contribution au développement d’une 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
26 septembre 2005 4/47
Contribution au développement d’une 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 d’une CAO optique efficace
26 septembre 2005 5/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
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
26 septembre 2005 6/47
Contribution au développement d’une 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 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
26 septembre 2005 7/47
Contribution au développement d’une 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 d’Optiwave
• …
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 8/47
Contribution au développement d’une 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 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
26 septembre 2005 9/47
Contribution au développement d’une 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 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
26 septembre 2005 10/47
Contribution au développement d’une 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 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
26 septembre 2005 11/47
Contribution au développement d’une 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 d’Ipsis
• OPTYSYS-DESIGN d’Optiwave
• …
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 12/47
Contribution au développement d’une 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
DémoComposant Circuit Système
Tps de calcul --- + ++
Capacité mémoire
--- + ++
Complexité de modélisation
/ - +
Complexité d’utilisation
-- + +
Qualité des simulations
+++ ++ -
26 septembre 2005 13/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Théorie des circuits – Notions d’onde
• Notion de quadripôle
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
j
jjjj
R
IZVa
0
0
2
j
jjjj
R
IZVb
0
*0
2
2221212
2121111
izizv
izizv
26 septembre 2005 14/47
Contribution au développement d’une 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 aj représentent des signaux entrant et les b i des signaux sortant du composant à modéliser.
– Les paramètres-S sont définis par:
j
iij
a
bS
Composant
a1
a2b1
b2
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 15/47
Contribution au développement d’une 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
0*.
1*.
1
1
N
kjkik
N
kikik
SS
SS
0*.
1*.
1
1
N
kjkik
N
kikik
SS
SS
i≠j
i≠j
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 16/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Théorie des circuits – Concepts de matrice-S
• Formalisme de Jones
tjzjzjzjzj evebeauebeaE ..2...2
..2
..1
..1
2211 ....
tj
zj
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eaA ..2.
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tj
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zj
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ebB ..2.
..2
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1
JA B
B=J.A
ab
u
v
z
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 17/47
Contribution au développement d’une 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
26 septembre 2005 18/47
Contribution au développement d’une 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
• L’optique intégrée sur verre
• L’optique intégrée sur semi-conducteur
– Le niveau « réel »
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 19/47
Contribution au développement d’une 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 d’un 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
26 septembre 2005 20/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif
• Exemple du guide optique monomode :
incidentL
transmis
réfléchie
EeE
E
.
0.
000
000
000
000
y
x
y
x
g
F
F
F
F
SS22
S11 S12
S21
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 21/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Modélisation de composants optiques - Niveau 1: descriptif
• Exemple du guide optique monomode :
incidentL
transmis
réfléchie
EeE
E
.
0.
00cos.sin..
00sin..cos.
cos.sin..00
sin..cos.00
.y.2
yx
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yx.x
.y.2
yx
.2
yx.x
LL
LL
LL
LL
g
eej
eje
eej
eje
S
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
S21
S12S11
S22
26 septembre 2005 22/47
Contribution au développement d’une 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 d’optique guidée sur verre
• À base d’optique guidée sur semi-conducteur
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 23/47
Contribution au développement d’une 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.
3003
200200100 )).((
6
1)).((
2
1)).(()()(
3
122
22 .
1)(j j
jBn
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 24/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
• 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
Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
tx
t mdxxnxnk0 21
220 02)()(2
ns
ng
nsel
26 septembre 2005 25/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique
• Cas de l’optique diffusée sur verre (suite):– Développement d’un outil de calcul d’indice effectif
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 26/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Modélisation de composants optiques - Niveau 2: technologique
• Cas de l’optique diffusée sur verre (suite):
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Démo
Conclusion
26 septembre 2005 27/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
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 ().
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Démo
Conclusion
26 septembre 2005 28/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
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
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
).( 222lfeqleff NNbNN
22
2222 ).(
cl
sffsf
nN
nnbnN
Déterminer par l’équation de Kogelnik et Ramaswamy ou sur abaque
c
Neff 0
26 septembre 2005 29/47
Contribution au développement d’une 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 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.
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 30/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Intégration des modèles sous un outil de CAO – Organigramme d’un code
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
DémoCréation 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
26 septembre 2005 31/47
Contribution au développement d’une 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
26 septembre 2005 32/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Intégration des modèles sous un outil de CAO – Interface de l’outil
• Interface de l’outil CAO développé
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
26 septembre 2005 33/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Intégration des modèles sous un outil de CAO –
• Caractéristique de l’outil de simulation– Simulation électrique
– Décalage de la longueur d’onde centrale
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
0 f0f1 f2
f1 f20 F en (Hz)
26 septembre 2005 34/47
Contribution au développement d’une 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 1
2
3
4
26 septembre 2005 35/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Am
pli
tud
e d
e S
31 e
t S
41 e
n d
B P
has
e d
e S
31 e
t S
41 e
n d
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Am
pli
tud
e d
e S
11 e
t S
21 e
n d
B
Simulation de circuits optiques – Mach-Zehnder à fibre
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
S11S21
S31S41
26 septembre 2005 36/47
Contribution au développement d’une 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
26 septembre 2005 37/47
Contribution au développement d’une 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
Am
pli
tud
e d
e S
31 s
imu
lé e
n d
B
Am
pli
tud
e d
e S
31 m
esu
ré e
n d
B
26 septembre 2005 38/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Simulation de circuits optiques – Réseau de Bragg
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
Am
pli
tud
e d
e S
11 e
n d
B p
ou
r 30
tro
nço
ns
Ph
ase
de
S11
en
deg
ré p
ou
r 10
et
30 t
ron
çon
sInterface
de Fresnell
Guides d’indice n1 et n2
L1 = 4mm L2 = 3.998mm
n1 = 1.46 n2 = 1.4605
R = 0.0131
L1L2
Am
pli
tud
e d
e S
11 e
n d
B p
ou
r 10
tro
nço
ns
30 tronçons10 tronçons
26 septembre 2005 39/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
Am
pli
tud
e (e
n d
B)
de
la t
ran
smis
sio
n s
ur
chac
un
de
s b
ras
de
so
rtie
Bras 1Bras 2Bras 3Bras 4
26 septembre 2005 40/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
Am
pli
tud
e (e
n d
B)
de
la t
ran
smis
sio
n s
ur
chac
un
de
s b
ras
de
so
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Ph
ase
(en
deg
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de
la t
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smis
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s 1
Am
pli
tud
e (e
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B)
et
Ph
ase
(en
deg
ré)
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la
tran
smis
sio
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ur
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1
Bras 1Bras 2Bras 3Bras 4
PhaseAmplitude
Am
pli
tud
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B)
de
la
tran
smis
sio
n s
ur
le b
ras
1
26 septembre 2005 41/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Simulation de circuits optiques – filtrage Mach-Zehnder
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
Am
pli
tud
e (e
n d
B)
de
la
tran
smis
sio
n s
ur
cha
cun
d
es b
ras
du
cir
cu
it
Bras 1Bras 2Bras 3Bras 4
Bras 5Bras 6Bras 7Bras 8
26 septembre 2005 42/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Ph
ase
(en
deg
ré)
de
la
tran
smis
sio
n d
e 1v
ers
2Simulation 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)
Am
pli
tud
e (e
n d
B)
de
la
tran
smis
sio
n d
e 1v
ers
2
5cm10cm25cm
1
2
26 septembre 2005 43/47
Contribution au développement d’une 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
Ph
ase
(en
deg
ré)
de
la
tran
smis
sio
n d
e 1v
ers
2 R
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d (
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tr
ansm
issi
on
de
1ve
rs 2
010010100101
26 septembre 2005 44/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
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
26 septembre 2005 45/47
Contribution au développement d’une 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
26 septembre 2005 46/47
Contribution au développement d’une CAO pour les circuits optiques…
Paramètres des éléments du circuit: K=0.5
L1=5m
L2=10m
Démonstration de l’outil développé – Application au Mach-Zenhder
Introduction
Simu optique
Théorie circuit
Modélis° et …
Simulation
Conclusion
Démo
• Circuit à simuler
26 septembre 2005 47/47
Contribution au développement d’une 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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