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Superando os desafios do projeto de circuitos integrados fotônicos (PIC) com um fluxo de trabalho integrado

Os circuitos integrados fotônicos (PICs) estão ganhando importância rapidamente em uma ampla gama de áreas, incluindo centros de dados, comunicações, sensoriamento e plataformas de computação de última geração. Na fabricação de PICs por meio de serviços de fundição, é necessário não apenas projetar componentes individuais, mas também projetar e avaliar as características dos circuitos ópticos compostos por múltiplos componentes interconectados. Além disso, são essenciais instrumentos de medição capazes de avaliar com precisão o desempenho dos PICs fabricados.

A Keysight oferece um fluxo de projeto integrado que combina instrumentos convencionais de medição óptica, fontes de luz e sistemas de teste com ferramentas de simulação e projeto específicas para PICs.

As ferramentas RSoft Photonic Device Tools empregam métodos detalhados de análise eletromagnética e óptica, como FDTD, BPM, FEM e PWE, permitindo a simulação precisa dos principais componentes de PICs, incluindo acopladores de grade, MMIs e desfasadores para moduladores. Essas ferramentas também oferecem suporte à exportação no formato de arquivo GDS para envio à fundição. Além disso, ao exportar resultados de simulação e arquivos GDS como arquivos PDK, é possível realizar análises em nível de sistema e de circuito de dispositivos PIC completos, bem como a criação completa do layout, utilizando o ADS Photonic Designer.

Fluxo de projeto de circuitos integrados fotônicos

As ferramentas RSoft Photonic Device Tools oferecem um ambiente abrangente de simulação eletromagnética e óptica, equipado com CAD, diversos solucionadores, varredura de parâmetros e ferramentas de otimização. A plataforma CAD básica da RSoft é comum a todas as ferramentas passivas, permitindo que os usuários alternem entre os solucionadores, dependendo da precisão necessária e do tempo de simulação.
 
Os projetos podem ser exportados no formato de arquivo GDS para envio à fundição, e as estruturas também podem ser criadas a partir de arquivos GDS ou por meio de scripts utilizando uma API em Python.

Ferramentas da RSoft para o projeto de dispositivos PIC

  • FullWAVE FDTD
    Ferramenta de análise de propagação no domínio do tempo por diferenças finitas (acopladores de grade, ressonadores em anel, etc.), com suporte à aceleração por GPU
  • BeamPROP BPM
    Ferramenta de análise de propagação em alta velocidade baseada no método de propagação de feixe (conversores de tamanho de ponto, rotadores de polarização)
  • ModePROP EME
    Ferramenta de análise de propagação baseada na expansão de modos próprios (estruturas de grade)
  • FemSIM FEM
    Solucionador de modos baseado no método dos elementos finitos (várias estruturas de guia de onda)
  • BandSOLVE PWE
    Ferramenta de análise de cristais fotônicos baseada no método de expansão de ondas planas (guias de onda/fibras de cristais fotônicos)
  • GratingMOD CMT
    Ferramenta de projeto para grades de fibra e de guia de onda baseada na teoria dos modos acoplados
  • LaserMOD
    Ferramenta de simulação de lasers semicondutores 2D (lasers Fabry–Perot, DFB e VCSEL)

Ao utilizar esses solucionadores em conjunto com diversos utilitários, também é possível analisar dispositivos como chaves ópticas e moduladores. Além disso, o utilitário Custom PDK permite que os resultados da simulação do RSoft sejam exportados como PDKs compatíveis com o ADS Photonic Designer.


Utilitários dos produtos da RSoft

  • Utilitário Multifísico
    Calcula as variações no índice de refração causadas por efeitos termo-ópticos (TO) e eletro-ópticos (EO), efeitos fotoelásticos decorrentes de variações de temperatura e efeitos induzidos por portadores
  • AWG Utility
    Ferramenta de projeto de dispositivos AWG utilizando o BeamPROP BPM
  • Topology Optimizer
    Projeto automático da estrutura de dispositivos por meio da otimização topológica
    A análise de propagação utiliza o FullWAVE FDTD
  • Utilitário de PDK personalizado
    Exporta resultados calculados com o RSoft como PDKs personalizados que podem ser lidos por ferramentas de circuitos ópticos e sistemas, como o ADS Photonic Designer

Além disso, o MOST (Ferramentas de Otimização Multivariável e Varredura) estão disponíveis:

  • MOST Scanner – Varredura de parâmetros e geração de gráficos de varredura
  • Cluster MOST – Computação paralela para simulações mais rápidas
  • MOST Optimizer – Otimização por meio de métodos como algoritmos genéticos
 
Tela do RSoft FullWAVE FDTD em um laptop

Ferramentas para dispositivos fotônicos da RSoft e solução ADS Photonic Designer

No desenvolvimento de dispositivos PIC com o uso de serviços de fundição, o projeto é normalmente realizado com base nos PDKs fornecidos pela fundição. No entanto, os PDKs da fundição, por si só, podem ser insuficientes em casos como:

  • Os componentes necessários não estão incluídos no PDK da fundição
  • O desempenho precisa ser avaliado e incorporado quando o comprimento de onda de projeto ou as condições estruturais forem alterados
  • O PDK fornecido não inclui dados de características ópticas para simulação

Utilizando o utilitário Custom PDK no RSoft Photonic Device Tools, esses componentes ausentes podem ser criados como PDKs e utilizados em conjunto com os PDKs da fundição em ferramentas de circuitos e sistemas ópticos, como o ADS Photonic Designer, permitindo a simulação completa de dispositivos PIC e a criação de layouts.

O Photonic Designer é uma ferramenta de simulação e projeto de circuitos e sistemas ópticos integrada ao ADS (Advanced Design System), uma plataforma de simulação de RF. Ela permite:

  • Análise das características de circuitos ópticos com múltiplos componentes conectados
  • Avaliação do diagrama de olho com sinais de modulação
  • Geração automática de layout
  • Geração de arquivo GDS para envio à fundição

Principais recursos

  • Projeto e simulação baseados em esquemas
  • Projeto de dispositivos PIC utilizando PDKs
  • Funcionalidade DRC/LVS
  • Saída do GDS II
ADS Photonic Designer na tela do laptop

O utilitário Custom PDK exporta os resultados calculados pelo RSoft Photonic Device Tools como dados da matriz S óptica e dados do índice de refração equivalente.

Os dados da matriz S representam as características de amplitude e fase na porta de saída em relação a cada porta de entrada, discriminadas por comprimento de onda e condições de polarização, e podem ser utilizados em ferramentas de sistema como o Photonic Designer.

Além disso, como os dados podem incluir parâmetros estruturais e condições como largura da abertura e raio de curvatura, torna-se possível projetar e simular circuitos ópticos complexos compostos por múltiplos componentes — cujo cálculo é difícil apenas com o uso de ferramentas específicas para cada componente —, ajustando os parâmetros nas ferramentas do sistema.

PDK personalizado da RSoft

  • Dados da matriz S óptica (dependência em relação à amplitude, fase, comprimento de onda e polarização)
  • Índice de refração equivalente (Neff)
  • Parâmetros estruturais (largura da abertura, raio de curvatura, etc.)
  • Arquivos GDS para layout

Ferramentas RSoft disponíveis

 
PDK e fundições

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