I sistemi LiDAR (Light Detection and Ranging) sono oggi una tecnologia chiave in ambiti come l' automotive e la profilometria di alta risoluzione. Le architetture di nuova generazione si basano su antenne ottiche a phased array (OPA) integrate su chip di silicio, in grado di realizzare beam steering solido-stato senza parti meccaniche, offrendo così maggiore affidabilità, miniaturizzazione e velocità di scansione.
La progettazione di questi dispositivi richiede un workflow integrato che combini simulazioni elettromagnetiche di dettaglio e modellazione a livello di sistema, garantendo coerenza tra prestazioni ottiche e requisiti applicativi.
Workflow di progettazione con Ansys Lumerical™
1. Modellazione del singolo elemento
Il processo di progettazione parte dallo studio del singolo emettitore ottico, tipicamente un optical phased array, ovvero una matrice di guide d’onda con pattern opportunamente ingegnerizzati. In una prima fase, con il solver MODE si progetta la struttura fotonica di base, ottimizzando parametri come la periodicità e lo spessore della guida d’onda.
L’obiettivo è ottenere una configurazione che garantisca un adeguato tuning spettrale, riducendo al minimo il cross-coupling tra elementi contigui dell’array.
Una volta definita la geometria iniziale, si passa a una simulazione tridimensionale completa tramite il solver FDTD (Finite-Difference Time-Domain). In questa fase vengono analizzati in dettaglio:
- La trasmissione e il profilo di campo dell’array
- Il pattern di radiazione in far-field
- La variazione dell’angolo di emissione in funzione della lunghezza d’onda
- L’efficienza di accoppiamento
2. Creazione del modello compatto con Ansys Lumerical INTERCONNECT™
I risultati ottenuti dalle simulazioni elettromagnetiche con il solver FDTD vengono tradotti in un modello compatto all’interno di Ansys Lumerical INTERCONNECT™, che permette di descrivere in maniera semplificata ma accurata il comportamento ottico ed elettrico del singolo elemento. Questo passaggio è fondamentale perché consente di scalare l’analisi dal livello di dettaglio fisico al livello di sistema.
Nel software Lumerical INTERCONNECT è possibile costruire array con decine o centinaia di emettitori, sfruttando librerie di componenti parametrici e dati importati dalle simulazioni. In questo contesto si analizzano il beam steering, ottenuto modulando le fasi relative dei diversi emettitori, e la risposta temporale in funzione degli angoli di scansione, che definisce la capacità del sistema di effettuare una scansione veloce e precisa dello spazio.
Il modello compatto consente inoltre di introdurre una parametrizzazione completa delle variabili chiave che determinano le prestazioni dell’array, come il passo tra gli emettitori, il numero di canali attivi e la configurazione complessiva. Attraverso analisi iterative, le variabili vengono modificate per valutare l’impatto sul profilo del fascio ottico.
Questo processo di analisi migliora la qualità della scansione angolare e massimizza l’efficienza di emissione, bilanciando compattezza del design e prestazioni ottiche richieste dall’applicazione LiDAR. Inoltre, il workflow consente l’integrazione con strumenti di terze parti, estendendo le analisi a ottimizzazioni parametriche avanzate e alla co-simulazione con circuiti elettronici di controllo.
Grazie a questo approccio, è possibile validare l’intero comportamento dell’array in condizioni realistiche, mantenendo un equilibrio tra accuratezza fisica e tempi di calcolo compatibili con un processo iterativo di design.
Conclusioni
La progettazione di antenne ottiche LiDAR richiede un approccio che unisca modellazione fisica di dettaglio e simulazione di sistema. Con il software Ansys Lumerical è possibile passare dal design del singolo emettitore all’intero array, analizzare il beam steering e la distribuzione della radiazione, e ottimizzare le prestazioni attraverso workflow integrati. Questo approccio accelera lo sviluppo di sistemi LiDAR compatti, affidabili e ad alte prestazioni, riducendo i costi di prototipazione e migliorando l’efficienza dell’intero processo di progettazione.
