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Tutorial FDTD: risonatore ad anello fotonico integratoTutorial FDTD: risonatore ad anello fotonico integrato

SEM image of a ring resonator, an example photonic integrated circuit (PIC) component.
Un esempio di risonatore ad anello utilizzato in un circuito fotonico integrato (PIC).Un esempio di risonatore ad anello utilizzato in un circuito fotonico integrato (PIC).

1. Panoramica: cosa simulerai.1. Panoramica: cosa simulerai.

Un risonatore ottico ad anello è una cavità ottica compatta costituita da una guida d’onda ad anello chiuso, posizionata accanto a una o più guide d’onda lineari. La luce che entra nella guida lineare può accoppiarsi in modo evanescente all’anello. Quando la lunghezza del percorso ottico dell’anello soddisfa la condizione di risonanza (mλ = neffL), si verifica un’interferenza costruttiva che aumenta la potenza circolante all’interno della cavità. Le lunghezze d’onda che non soddisfano la condizione di risonanza non si accoppiano in modo efficiente e rimangono invece nella guida d’onda lineare.Un risonatore ottico ad anello è una cavità ottica compatta costituita da una guida d’onda ad anello chiuso, posizionata accanto a una o più guide d’onda lineari. La luce che entra nella guida lineare può accoppiarsi in modo evanescente all’anello. Quando la lunghezza del percorso ottico dell’anello soddisfa la condizione di risonanza (mλ = neffL), si verifica un’interferenza costruttiva che aumenta la potenza circolante all’interno della cavità. Le lunghezze d’onda che non soddisfano la condizione di risonanza non si accoppiano in modo efficiente e rimangono invece nella guida d’onda lineare.

Grazie a questa caratteristica di selezione in base alla lunghezza d’onda, i risuonatori ad anello sono ampiamente utilizzati nei circuiti fotonici integrati (PIC) per la filtrazione, la multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (WDM), la modulazione, il rilevamento e il routing dei segnali all’interno del chip. Si trovano nelle piattaforme di fotonica su silicio per le comunicazioni dati, i sistemi LiDAR, i biosensori e i processori di segnali ottici integrati. Le loro dimensioni ridotte, la compatibilità con la tecnologia CMOS e la forte amplificazione del campo elettromagnetico li rendono uno dei componenti fondamentali della moderna fotonica integrata.Grazie a questa caratteristica di selezione in base alla lunghezza d’onda, i risuonatori ad anello sono ampiamente utilizzati nei circuiti fotonici integrati (PIC) per la filtrazione, la multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (WDM), la modulazione, il rilevamento e il routing dei segnali all’interno del chip. Si trovano nelle piattaforme di fotonica su silicio per le comunicazioni dati, i sistemi LiDAR, i biosensori e i processori di segnali ottici integrati. Le loro dimensioni ridotte, la compatibilità con la tecnologia CMOS e la forte amplificazione del campo elettromagnetico li rendono uno dei componenti fondamentali della moderna fotonica integrata.

In questo tutorial, analizzeremo una struttura rappresentativa di risonatore ad anello (vedere ??) utilizzando il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD). Inseriremo una modalità guidata in una guida d’onda rettilinea, osserveremo l’accoppiamento evanescente nell’anello e monitoreremo l’evoluzione della potenza ottica nel tempo.In questo tutorial, analizzeremo una struttura rappresentativa di risonatore ad anello (vedere ??) utilizzando il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD). Inseriremo una modalità guidata in una guida d’onda rettilinea, osserveremo l’accoppiamento evanescente nell’anello e monitoreremo l’evoluzione della potenza ottica nel tempo.

La simulazione consente di:La simulazione consente di:

Dal punto di vista numerico, questo esempio mette alla prova l’intero insieme di strumenti FDTD: definizione della geometria, inserimento della sorgente, definizione dei bordi assorbenti tramite la tecnica CPML (Perfectly Matched Layer), gestione del passo temporale ed estrazione dei dati dal rivelatore. Dal punto di vista fisico, fornisce una comprensione intuitiva dei concetti di risonanza, forza di accoppiamento e tempo di vita della cavità nei dispositivi fotonici integrati.Dal punto di vista numerico, questo esempio mette alla prova l’intero insieme di strumenti FDTD: definizione della geometria, inserimento della sorgente, definizione dei bordi assorbenti tramite la tecnica CPML (Perfectly Matched Layer), gestione del passo temporale ed estrazione dei dati dal rivelatore. Dal punto di vista fisico, fornisce una comprensione intuitiva dei concetti di risonanza, forza di accoppiamento e tempo di vita della cavità nei dispositivi fotonici integrati.

2. Creazione di una nuova simulazione2. Creazione di una nuova simulazione

Aprire la finestra della nuova simulazione e selezionare la categoria degli esempi FDTD (??). Quindi, scegliere l’esempio «Integrated Photonics Ring Resonator» (??). In questo modo si aprirà l’interfaccia principale mostrata in ??.Aprire la finestra della nuova simulazione e selezionare la categoria degli esempi FDTD (??). Quindi, scegliere l’esempio «Integrated Photonics Ring Resonator» (??). In questo modo si aprirà l’interfaccia principale mostrata in ??.

OghmaNano New simulation window showing categories including an FDTD examples option.
Nuova finestra di simulazione. Apri gli esempi di FDTD.Nuova finestra di simulazione. Apri gli esempi di FDTD.
FDTD example list including Integrated Photonics Ring Resonator.
Elenco di esempi FDTD. Selezionare «Anello risonante di fotonica integrata».Elenco di esempi FDTD. Selezionare «Anello risonante di fotonica integrata».
Main OghmaNano window showing a 3D view of a ring resonator coupled to a straight waveguide.
L’interfaccia principale di OghmaNano dopo aver caricato l’esempio del risuonatore ad anello.L’interfaccia principale di OghmaNano dopo aver caricato l’esempio del risuonatore ad anello.

3. Come orientarsi nella finestra principale3. Come orientarsi nella finestra principale

Il dispositivo viene visualizzato nella vista 3D nella scheda «Struttura dispositivo» (??). La scheda «Terminal» mostra in tempo reale i risultati del calcolo durante l’esecuzione, mentre la scheda «Output» elenca i file generati dalla simulazione (immagini, dati dei rivelatori ed esportazioni di configurazione).Il dispositivo viene visualizzato nella vista 3D nella scheda «Struttura dispositivo» (??). La scheda «Terminal» mostra in tempo reale i risultati del calcolo durante l’esecuzione, mentre la scheda «Output» elenca i file generati dalla simulazione (immagini, dati dei rivelatori ed esportazioni di configurazione).

In questo esempio, utilizzerai principalmente:In questo esempio, utilizzerai principalmente:

4. Esecuzione della simulazione4. Esecuzione della simulazione

Terminal tab showing the FDTD module starting, timestep and wavelength information, and OpenCL device selection.
La scheda «Terminal» durante un’esecuzione FDTD. Utilizzatela per confermare il passo temporale, la lunghezza d’onda e le impostazioni del sistema di elaborazione dati.La scheda «Terminal» durante un’esecuzione FDTD. Utilizzatela per confermare il passo temporale, la lunghezza d’onda e le impostazioni del sistema di elaborazione dati.
Output tab listing files produced by the ring resonator simulation including detector outputs and snapshots directory.
Dopo l’esecuzione, visualizza la scheda «Risultati». Apri la cartella snapshots/ e accedi ai risultati ottenuti dal rilevatore da qui.Dopo l’esecuzione, visualizza la scheda «Risultati». Apri la cartella snapshots/ e accedi ai risultati ottenuti dal rilevatore da qui.

5. Visualizzazione delle immagini istantanee della densità di potenza.5. Visualizzazione delle immagini istantanee della densità di potenza.

Aprire la cartella di output snapshots/ (dalla scheda Output) per avviare il visualizzatore delle immagini. Visualizzare il file della densità di potenza (ad esempio power_density.csv) e utilizzare il cursore per scorrere i diversi istanti temporali. Alcuni esempi di immagini sono mostrati in ??–??.Aprire la cartella di output snapshots/ (dalla scheda Output) per avviare il visualizzatore delle immagini. Visualizzare il file della densità di potenza (ad esempio power_density.csv) e utilizzare il cursore per scorrere i diversi istanti temporali. Alcuni esempi di immagini sono mostrati in ??–??.

Quando la sorgente emette l’energia nella guida d’onda del bus, si dovrebbe osservare l’energia che si propaga verso la regione di accoppiamento, per poi essere trasferita all’anello. Le immagini successive mostrano la circolazione e l’accumulo di energia nell’anello, seguite da un flusso costante verso la guida d’onda di uscita.Quando la sorgente emette l’energia nella guida d’onda del bus, si dovrebbe osservare l’energia che si propaga verso la regione di accoppiamento, per poi essere trasferita all’anello. Le immagini successive mostrano la circolazione e l’accumulo di energia nell’anello, seguite da un flusso costante verso la guida d’onda di uscita.

Snapshot viewer showing early-time power density in the simulation domain.
Istante iniziale: misurazione della densità di potenza e avvio dell’emissione e della trasmissione attraverso la guida d’onda del bus.Istante iniziale: misurazione della densità di potenza e avvio dell’emissione e della trasmissione attraverso la guida d’onda del bus.
Snapshot viewer showing power density as the field reaches the coupling region.
L’energia raggiunge la zona del giunto e inizia a interagire con l’anello.L’energia raggiunge la zona del giunto e inizia a interagire con l’anello.
Snapshot viewer showing power density circulating around part of the ring.
La circolazione all’interno dell’anello diventa visibile quando l’energia si trasferisce dal bus al risonatore.La circolazione all’interno dell’anello diventa visibile quando l’energia si trasferisce dal bus al risonatore.
Snapshot viewer showing power density in the bus and ring at a later time.
Fotogramma successivo: la distribuzione dell’energia si stabilizza sia nel bus che nell’anello.Fotogramma successivo: la distribuzione dell’energia si stabilizza sia nel bus che nell’anello.
Snapshot viewer showing a later-time power density distribution with clear ring build-up and output routing.
Esempio di immagine acquisita in un momento successivo: si può chiaramente osservare la formazione dell’anello e il suo percorso verso la guida d’onda di uscita.Esempio di immagine acquisita in un momento successivo: si può chiaramente osservare la formazione dell’anello e il suo percorso verso la guida d’onda di uscita.

6. Visualizzazione dei dati provenienti dai rivelatori6. Visualizzazione dei dati provenienti dai rivelatori

Questo esempio prevede l’utilizzo di due rivelatori posizionati sulle guide d’onda di uscita. Aprire ciascun file del rivelatore dalla scheda «Output» (vedere ??) e visualizzare il segnale registrato in funzione del tempo. I segnali di uscita dei due rivelatori sono mostrati in ?? e ??.Questo esempio prevede l’utilizzo di due rivelatori posizionati sulle guide d’onda di uscita. Aprire ciascun file del rivelatore dalla scheda «Output» (vedere ??) e visualizzare il segnale registrato in funzione del tempo. I segnali di uscita dei due rivelatori sono mostrati in ?? e ??.

(Inserire qui l’immagine: detector0-output.jpg)(Inserire qui l’immagine: detector0-output.jpg)
(Inserire qui l’immagine: detector1-output.jpg)(Inserire qui l’immagine: detector1-output.jpg)

In condizioni di funzionamento CW stabile, è normale che i segnali rilevati si stabilizzino su un valore costante dopo una fase transitoria iniziale. Se si osservano oscillazioni persistenti o una linea di base instabile, ciò indica solitamente una delle seguenti cause: (i) un segnale di eccitazione a banda larga (e non a frequenza singola), (ii) riflessioni dai bordi o dalle porte, oppure (iii) una geometria non sufficientemente definita che introduce fenomeni di dispersione.In condizioni di funzionamento CW stabile, è normale che i segnali rilevati si stabilizzino su un valore costante dopo una fase transitoria iniziale. Se si osservano oscillazioni persistenti o una linea di base instabile, ciò indica solitamente una delle seguenti cause: (i) un segnale di eccitazione a banda larga (e non a frequenza singola), (ii) riflessioni dai bordi o dalle porte, oppure (iii) una geometria non sufficientemente definita che introduce fenomeni di dispersione.

7. Modifica della sorgente luminosa: eccitazione a luce continua rispetto a eccitazione a impulsi.7. Modifica della sorgente luminosa: eccitazione a luce continua rispetto a eccitazione a impulsi.

Aprire l’editor delle sorgenti luminose per la simulazione e individuare le impostazioni della forma d’onda di eccitazione (??). Passare da una forma d’onda di eccitazione di tipo CW/gaussiana-sinusoidale a una forma d’onda pulsata (??). Quindi, rieseguire la simulazione e confrontare i risultati del rilevatore.Aprire l’editor delle sorgenti luminose per la simulazione e individuare le impostazioni della forma d’onda di eccitazione (??). Passare da una forma d’onda di eccitazione di tipo CW/gaussiana-sinusoidale a una forma d’onda pulsata (??). Quindi, rieseguire la simulazione e confrontare i risultati del rilevatore.

(Inserire qui l’immagine: light-src.jpg)(Inserire qui l’immagine: light-src.jpg)
(Inserire l’immagine: pulse1.jpg)(Inserire l’immagine: pulse1.jpg)

Utilizzando un’eccitazione a impulsi, la serie temporale del rivelatore dovrebbe mostrare una chiara risposta transitoria: un aumento iniziale quando l’energia si trasferisce nell’anello, seguito da una diminuzione una volta che l’impulso è passato e l’energia immagazzinata si disperde attraverso il trasferimento e la perdita. Se si desidera ottenere un singolo valore che riassuma il grado di risonanza del dispositivo, misurare la costante di decadimento nella traccia del rivelatore dopo il picco dell’impulso; questo valore rappresenta un indicatore diretto della durata effettiva della cavità in questa configurazione.Utilizzando un’eccitazione a impulsi, la serie temporale del rivelatore dovrebbe mostrare una chiara risposta transitoria: un aumento iniziale quando l’energia si trasferisce nell’anello, seguito da una diminuzione una volta che l’impulso è passato e l’energia immagazzinata si disperde attraverso il trasferimento e la perdita. Se si desidera ottenere un singolo valore che riassuma il grado di risonanza del dispositivo, misurare la costante di decadimento nella traccia del rivelatore dopo il picco dell’impulso; questo valore rappresenta un indicatore diretto della durata effettiva della cavità in questa configurazione.

8. Controlli rapidi e principali cause di guasto8. Controlli rapidi e principali cause di guasto

👉 Fase successiva: una volta che siete soddisfatti del comportamento del rivelatore, il passo successivo consiste nell’eseguire una scansione delle lunghezze d’onda (o nell’utilizzare un breve impulso a banda larga seguito da una trasformata di Fourier) per ricavare lo spettro di risonanza e stimare \(Q\) a partire dalla larghezza di banda.👉 Fase successiva: una volta che siete soddisfatti del comportamento del rivelatore, il passo successivo consiste nell’eseguire una scansione delle lunghezze d’onda (o nell’utilizzare un breve impulso a banda larga seguito da una trasformata di Fourier) per ricavare lo spettro di risonanza e stimare \(Q\) a partire dalla larghezza di banda.

6. Visualizzazione dei dati provenienti dai rivelatori6. Visualizzazione dei dati provenienti dai rivelatori

Una volta completata l’esecuzione del programma, aprire la scheda «Output» e individuare il file power.csv (??). Facendo doppio clic su questo file, si aprirà la finestra che mostra i dati relativi alla potenza del rivelatore selezionato.Una volta completata l’esecuzione del programma, aprire la scheda «Output» e individuare il file power.csv (??). Facendo doppio clic su questo file, si aprirà la finestra che mostra i dati relativi alla potenza del rivelatore selezionato.

OghmaNano Output tab showing power.csv, which opens the detector power-versus-time plot when double-clicked.
Cartella di output contenente power.csv, che apre il visualizzatore della potenza del rilevatore.Cartella di output contenente power.csv, che apre il visualizzatore della potenza del rilevatore.
Detector 0 power versus time plot. Power rises rapidly and shows oscillations as the resonator response builds up.
Rivelatore 0: la potenza aumenta rapidamente e oscilla durante la fase iniziale di incremento.Rivelatore 0: la potenza aumenta rapidamente e oscilla durante la fase iniziale di incremento.
Detector 1 power versus time plot. Signal appears later than detector 0 because the monitored port is further along the coupling path.
Rilevatore 1: l’attivazione avviene in ritardo perché l’energia deve propagarsi e trasferirsi attraverso la struttura prima di raggiungere questa porta.Rilevatore 1: l’attivazione avviene in ritardo perché l’energia deve propagarsi e trasferirsi attraverso la struttura prima di raggiungere questa porta.

Confrontare ?? e ??. Il rilevatore più vicino reagisce prima, mentre il rilevatore a valle reagisce più tardi, poiché il campo deve propagarsi attraverso la regione di accoppiamento del bus/anello e quindi raggiungere la porta monitorata.Confrontare ?? e ??. Il rilevatore più vicino reagisce prima, mentre il rilevatore a valle reagisce più tardi, poiché il campo deve propagarsi attraverso la regione di accoppiamento del bus/anello e quindi raggiungere la porta monitorata.

7. Passare all’utilizzo di un impulso per l’eccitazione.7. Passare all’utilizzo di un impulso per l’eccitazione.

I parametri della sorgente vengono modificati tramite la scheda «Ottica» (??). Cliccare su «Sorgenti luminose» per aprire l’editor delle sorgenti luminose, visualizzato in ??.I parametri della sorgente vengono modificati tramite la scheda «Ottica» (??). Cliccare su «Sorgenti luminose» per aprire l’editor delle sorgenti luminose, visualizzato in ??.

OghmaNano Optical ribbon showing the Light Sources button and other optical tools.
La banda ottica. Utilizzare le sorgenti luminose per modificare l’eccitazione FDTD.La banda ottica. Utilizzare le sorgenti luminose per modificare l’eccitazione FDTD.

Nell’editor della sorgente luminosa, apri la scheda FDTD e imposta la forma d’onda su un impulso sinusoidale gaussiano. In questo modo, l’eccitazione continua verrà sostituita da un impulso breve contenente una portante, il che ti permetterà di visualizzare in modo più chiaro il ritardo di transizione e il processo di accumulo di energia nel risonatore.Nell’editor della sorgente luminosa, apri la scheda FDTD e imposta la forma d’onda su un impulso sinusoidale gaussiano. In questo modo, l’eccitazione continua verrà sostituita da un impulso breve contenente una portante, il che ti permetterà di visualizzare in modo più chiaro il ritardo di transizione e il processo di accumulo di energia nel risonatore.

Light source editor with the FDTD tab selected, showing waveform set to Gaussian sine pulse and polarisation settings.
Editor della sorgente luminosa (scheda FDTD): impostare la forma d’onda su un impulso sinusoidale gaussiano.Editor della sorgente luminosa (scheda FDTD): impostare la forma d’onda su un impulso sinusoidale gaussiano.
Snapshot of the ring resonator simulation shortly after a pulsed excitation, showing the pulse entering and starting to couple into the ring.
Simulazione dinamica: immagine istantanea iniziale che mostra l’impulso iniettato mentre entra nella struttura.Simulazione dinamica: immagine istantanea iniziale che mostra l’impulso iniettato mentre entra nella struttura.
Snapshot later in time showing pulse energy circulating in the ring and coupling back into the bus waveguide.
Ciclo di impulsi: immagine acquisita in un momento successivo, che mostra la circolazione e le dinamiche di interazione all’interno dell’anello.Ciclo di impulsi: immagine acquisita in un momento successivo, che mostra la circolazione e le dinamiche di interazione all’interno dell’anello.

Eseguire nuovamente la simulazione e quindi riaprire i grafici del rivelatore (??, ??). In caso di impulso, i segnali del rivelatore mostrano in genere un inizio più definito, un ritardo finito tra le porte e un decadimento che riflette la perdita e l’intensità dell’accoppiamento.Eseguire nuovamente la simulazione e quindi riaprire i grafici del rivelatore (??, ??). In caso di impulso, i segnali del rivelatore mostrano in genere un inizio più definito, un ritardo finito tra le porte e un decadimento che riflette la perdita e l’intensità dell’accoppiamento.