ES2981814A1

ES2981814A1 - POWER DIVIDER DEVICE INTEGRATED IN WAVEGUIDES

Info

Publication number: ES2981814A1
Application number: ES202330198A
Authority: ES
Inventors: De Cabo Raquel Fernández; Velasco Aitor Villafranca; Andrade David González
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2023-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2024-10-10
Also published as: WO2024189249A1

Abstract

Dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda. Comprendiendo puerto de entrada (1), puertos de salida (2), unión en Y (3), con un tallo (31) unido al puerto de entrada (1) y unos brazos (32) unidos al puertos de salida (2), estructura SWG con una disposición periódica de segmentos de material de núcleo y de cubierta, comprendiendo una primera región (4), donde los segmentos de material de núcleo conectan el primer brazo (32) y el segundo brazo (32); una segunda región (5), donde un primer conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al primer brazo (32) y un segundo conjunto de material de núcleo conectados al segundo brazo (32); estando el primer conjunto de material de núcleo separado del segundo de material de núcleo; y teniendo el primer conjunto de material de núcleo y de segmentos de material de núcleo una anchura que se reduce progresivamente.Power splitter device integrated in waveguides. Comprising input port (1), output ports (2), Y-junction (3), with a stem (31) connected to the input port (1) and arms (32) connected to the output ports (2), SWG structure with a periodic arrangement of segments of core and sheath material, comprising a first region (4), where the segments of core material connect the first arm (32) and the second arm (32); a second region (5), where a first set of segments of core material are connected to the first arm (32) and a second set of core material connected to the second arm (32); the first set of core material being separated from the second set of core material; and the first set of core material and core material segments having a progressively decreasing width.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

DISPOSITIVO DIVISOR DE POTENCIA INTEGRADO EN GUÍAS DE ONDAPOWER DIVIDER DEVICE INTEGRATED IN WAVEGUIDES

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

El objeto de la invención es un dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda para circuitos fotónicos integrados, que presenta unas pérdidas muy bajas en un elevado ancho de banda. The object of the invention is a power divider device integrated in waveguides for integrated photonic circuits, which presents very low losses in a high bandwidth.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

Los circuitos fotónicos integrados presentan propiedades excepcionales, entre las que destacan su insensibilidad a las interferencias electromagnéticas, sus reducidas dimensiones y su eficiencia energética. Además, los circuitos fotónicos implementados en la plataforma de silicio sobre aislante (SOI, de Silicon-On-Insulator en inglés) presentan una elevada capacidad de integración y una producción a gran escala a bajo coste. Por ello, la fotónica de silicio es una tecnología clave en las telecomunicaciones y la comunicación de datos, expandiéndose a aplicaciones emergentes de gran impacto como las comunicaciones móviles 5G, los biosensores, la computación cuántica o la inteligencia artificial. Photonic integrated circuits have exceptional properties, including their insensitivity to electromagnetic interference, small size and energy efficiency. Furthermore, photonic circuits implemented on the silicon-on-insulator (SOI) platform have a high integration capacity and large-scale production at low cost. Silicon photonics is therefore a key technology in telecommunications and data communication, expanding to high-impact emerging applications such as 5G mobile communications, biosensors, quantum computing or artificial intelligence.

La complejidad que conlleva el desarrollo de estas aplicaciones anteriormente mencionadas requiere de un número elevado de dispositivos en cada chip. Por ello, cada componente fotónico o bloque funcional (BB, del inglés building block) debe tener pérdidas mínimas, dimensiones reducidas, anchos de banda amplios y tolerancias de fabricación laxas. The complexity involved in developing these aforementioned applications requires a high number of devices on each chip. Therefore, each photonic component or building block (BB) must have minimal losses, reduced dimensions, wide bandwidths and loose manufacturing tolerances.

Los divisores de haz ópticos (del inglés beamsplitter), también llamados divisores de potencia, son uno de los BBs más habituales para desarrollar circuitos fotónicos integrados, ya sea para distribuir la luz a través del circuito o como un bloque fundamental para formar dispositivos más complejos. Los divisores de potencia presentan un puerto de entrada y dos o más puertos de salida, dividiendo la potencia de entrada entre los puertos de salida de acuerdo con unas ratios de potencia que dependen de cada diseño. Uno de los casos más habituales es el de los divisores de potencia con dos puertos de salida que dividen la potencia de entrada a partes iguales entre dichos puertos de salida, también conocidos como divisores de potencia a 3 dB. Optical beam splitters, also called power splitters, are one of the most common beam splitters for developing photonic integrated circuits, either to distribute light across the circuit or as a building block for forming more complex devices. Power splitters have one input port and two or more output ports, dividing the input power between the output ports according to power ratios that depend on each design. One of the most common cases is that of power splitters with two output ports that divide the input power equally between said output ports, also known as 3 dB power splitters.

Los divisores de potencia pueden operar bien para polarización transversal eléctrica (TE), bien para polarización transversal magnética (TM), o bien para ambas. Asimismo, pueden operar únicamente para el modo fundamental (es decir, operación monomodo), u operar simultáneamente para el modo fundamental y para al menos un modo de orden superior (operación multimodo). Power dividers may operate for either electrical transverse polarization (TE), magnetic transverse polarization (TM), or both. They may also operate for the fundamental mode only (i.e., single-mode operation), or operate simultaneously for the fundamental mode and at least one higher-order mode (multimode operation).

Existen numerosas arquitecturas de división de potencia, entre otras, acopladores de interferencia multimodo (MMI, del inglés multimode interference), tapers (también conocidos como adaptadores modales) inversos, tapers adiabáticos, acopladores direccionales y adiabáticos. Estos divisores suelen presentar anchos de banda operativos insuficientes para los sistemas ópticos de banda ultra-ancha. También existen propuestas que utilizan guías de onda de ranura (slot en inglés), pero estos divisores se caracterizan por tener grandes dimensiones. Asimismo, las estructuras que utilizan cristales fotónicos para división de potencia proporcionan anchos de banda estrechos, y su diseño y fabricación es complejo. There are numerous power splitting architectures, including multimode interference (MMI) couplers, inverse tapers (also known as mode matchers), adiabatic tapers, directional couplers, and adiabatic couplers. These splitters typically have insufficient operating bandwidths for ultra-wideband optical systems. There are also proposals using slot waveguides, but these splitters are characterized by large dimensions. Also, structures using photonic crystals for power splitting provide narrow bandwidths and are complex to design and manufacture.

Por ejemplo, el documento EP3058402B1 describe un divisor de potencia basado en el uso de tapers inversos para conseguir una evolución adiabática de los modos. El dispositivo incluye una guía de ondas de entrada y dos guías de ondas de salida. La primera guía de ondas de salida es una continuación de la guía de ondas de entrada. La segunda guía de ondas de salida está separada de la guía de entrada y, por tanto, de la primera guía de ondas de salida. Es decir, las salidas no están conectadas físicamente. Cada una de las guías de ondas de salida incluye un taper para modificar su anchura de forma gradual. El principio de operación de este dispositivo es la evolución adiabática de los modos. También cabe destacar que el diseño de este divisor de potencia consta de dos guías de ondas de salida que no están conectadas. Este dispositivo opera solamente para el modo TE<0>. For example, EP3058402B1 describes a power divider based on the use of inverse tapers to achieve adiabatic mode evolution. The device includes an input waveguide and two output waveguides. The first output waveguide is a continuation of the input waveguide. The second output waveguide is separated from the input waveguide and therefore from the first output waveguide. That is, the outputs are not physically connected. Each of the output waveguides includes a taper to gradually modify its width. The operating principle of this device is adiabatic mode evolution. It should also be noted that the design of this power divider consists of two output waveguides that are not connected. This device operates only for the TE<0> mode.

Entre los divisores de potencia, las uniones en Y son una de las alternativas más comunes dada su respuesta independiente a la polarización y a la longitud de onda, además de su sencillo diseño. En particular, las uniones en Y simétricas, con dos brazos de la misma anchura y con el mismo ángulo respecto al tallo, son uno de los divisores de potencia a 3 dB más habituales. Among power dividers, Y-junctions are one of the most common alternatives due to their independent response to polarization and wavelength, as well as their simple design. In particular, symmetrical Y-junctions, with two arms of the same width and at the same angle to the stem, are one of the most common 3 dB power dividers.

Por ejemplo, el documento US20200026002A1 describe un divisor de potencia que comprende una unión en Y simétrica y cuya operación se concibe para el modo TE<0>. El diseño de esta unión en Y se caracteriza por presentar 12 anchuras diferentes en la guía de ondas troncal justo antes de dividirse en los dos brazos. Los diferentes valores de estas 12 anchuras fueron seleccionados por un proceso de optimización de “nube de partículas”. For example, US20200026002A1 describes a power splitter comprising a symmetrical Y-junction and whose operation is conceived for the TE<0> mode. The design of this Y-junction is characterized by presenting 12 different widths in the backbone waveguide just before splitting into the two arms. The different values of these 12 widths were selected by a “particle cloud” optimization process.

No obstante, las uniones en Y simétricas están limitadas por la resolución que ofrecen los procesos de fabricación. Es decir, si bien una unión en Y ideal presenta una punta perfecta entre el tallo y los brazos, los procesos de fabricación de circuitos fotónicos integrados presentan tamaños mínimos de rasgo (MFS, del inglés minimum feature size) que limitan el tamaño mínimo de dicha punta. Esta diferencia respecto al caso ideal supone una penalización significativa sobre las pérdidas del divisor de potencia, especialmente en el caso del modo óptico fundamental, cuyo perfil de potencia presenta un máximo en la zona central. However, symmetric Y-junctions are limited by the resolution offered by the manufacturing processes. That is, while an ideal Y-junction has a perfect tip between the stem and the arms, the manufacturing processes for integrated photonic circuits have minimum feature sizes (MFS) that limit the minimum size of said tip. This difference from the ideal case imposes a significant penalty on the power divider losses, especially for the fundamental optical mode, whose power profile has a maximum in the central region.

Por otra parte, se conocen en el estado del arte las guías de onda con rejillas sub-longitud de onda (SWG, del inglés subwavelength grating), también conocidas como metamateriales sub longitud de onda, estructuras sub-longitud de onda o guías sublongitud de onda, como la mostrada en la figura 1. Las estructuras SWG son estructuras periódicas que incluyen secciones alternas de material de núcleo y de material de cubierta (del inglés cladding), cuyo periodo (A) es más pequeño que la mitad de la longitud de onda efectiva que se propaga por dicha estructura SWG. Puesto que la mayoría de los dispositivos integrados no están diseñados para una única longitud de onda sino para un ancho de banda operativo, las estructuras SWG tienen que cumplir la condición citada para todo dicho ancho de banda operativo. Es decir, el periodo de la estructura SWG es menor que la mitad de la longitud de onda efectiva más pequeña dentro del ancho de banda operativo del dispositivo. On the other hand, waveguides with subwavelength gratings (SWG) are known in the state of the art, also known as subwavelength metamaterials, subwavelength structures or subwavelength guides, as shown in figure 1. SWG structures are periodic structures that include alternating sections of core material and cladding material, whose period (A) is smaller than half of the effective wavelength propagating through said SWG structure. Since most integrated devices are not designed for a single wavelength but for an operating bandwidth, SWG structures have to meet the above condition for the entire operating bandwidth. That is, the period of the SWG structure is smaller than half of the smallest effective wavelength within the operating bandwidth of the device.

Cuando se verifica esta condición, la luz propagada por la estructura SWG no percibe transiciones entre los materiales de núcleo y cubierta, sino que se suprimen los efectos difractivos, y la luz se comporta como en una guía de un material homogéneo cuyo índice de refracción equivalente(neq)presenta un valor intermedio entre el de los dos materiales que lo componen. El valor de dicho índice de refracción efectivo se puede seleccionar durante el diseño de la estructura SWG mediante la selección de los parámetros geométricos de la estructura SWG, y en particular de la anchura de la guía de onda (W), la altura de la guía de onda (H), el periodo (A) y el ciclo de trabajo (f). El ciclo de trabajo, también conocido como factor de llenado (del inglés fill factor), es la relación entre las longitudes de la sección del núcleo (a) y de la sección de cubierta (b) en un periodo (A). When this condition is met, the light propagated by the SWG structure does not perceive transitions between the core and sheath materials, but diffractive effects are suppressed and the light behaves as if it were in a guide made of a homogeneous material whose equivalent refractive index (neq) is intermediate between that of the two materials it is composed of. The value of this effective refractive index can be selected during the design of the SWG structure by selecting the geometric parameters of the SWG structure, and in particular the waveguide width (W), the waveguide height (H), the period (A) and the duty cycle (f). The duty cycle, also known as the fill factor, is the ratio between the lengths of the core section (a) and the sheath section (b) over a period (A).

La condición de estructura SWG tiene como límite inferior de tamaño de periodo mínimo (Amin) definido por la mínima dimensión fabricable de la tecnología de fabricación, y como límite superior un tamaño de periodo máximo (Amax) que evita la condición de Bragg, definido como: The SWG structure condition has as a lower limit a minimum period size (Amin) defined by the minimum manufacturable dimension of the manufacturing technology, and as an upper limit a maximum period size (Amax) that avoids the Bragg condition, defined as:

donde es la longitud de onda mínima del rango operativo y ne^ B es la parte real del índice efectivo complejo del modo Floquet-Bloch. where is the minimum wavelength of the operating range and ne^B is the real part of the complex effective index of the Floquet-Bloch mode.

Las estructuras SWG se han utilizado para el desarrollo de diversos dispositivos fotónicos integrados de altas prestaciones, y en particular, para el desarrollo de divisores de potencia integrados de banda ancha. Particularmente, se han localizado una serie de documentos que se consideran relevantes para el estado de la técnica de la presente invención. SWG structures have been used for the development of various high-performance integrated photonic devices, and in particular, for the development of broadband integrated power dividers. In particular, a series of documents have been located that are considered relevant to the state of the art of the present invention.

El documento de R. Fernández de Cabo, D. González-Andrade, P. Cheben y A. V. Velasco, “High-Performance On-Chip Silicon Beamsplitter Based on Subwavelength Metamaterials for Enhanced Fabrication Tolerance”, Nanomaterials, Volumen 11, página 1304, 2021, describe un divisor de potencia de alto rendimiento basado en una unión en Y simétrica que incorpora metamateriales SWG. Este divisor comprende unos brazos y tallo que son en sí mismos estructuras SWG. Este divisor requiere del uso de tapers de adaptación. Además, su unión en Y con metamateriales SWG tiene diferentes ciclos de trabajo en las guías de ondas troncal y de los brazos. Finalmente, este dispositivo opera para el modo transversal eléctrico fundamental (TEo) y para el modo transversal eléctrico de primer orden (TE<1>). A pesar de las bajas pérdidas obtenidas mediante esta arquitectura, sigue siendo deseable ampliar aún más el ancho de banda de operación, así como reducir aún más las pérdidas, especialmente en el caso del modo TE<1>, que para esta arquitectura, presenta pérdidas mayores que para el modo TEo. The paper by R. Fernández de Cabo, D. González-Andrade, P. Cheben, and A. V. Velasco, “High-Performance On-Chip Silicon Beamsplitter Based on Subwavelength Metamaterials for Enhanced Fabrication Tolerance,” Nanomaterials, Volume 11, page 1304, 2021, describes a high-performance power splitter based on a symmetric Y-junction incorporating SWG metamaterials. This splitter comprises arms and stem that are SWG structures in themselves. This splitter requires the use of matching tapers. In addition, its Y-junction with SWG metamaterials has different duty cycles in the backbone and arm waveguides. Finally, this device operates for the fundamental electrical transverse mode (TEo) and for the first-order electrical transverse mode (TE<1>). Despite the low losses obtained through this architecture, it is still desirable to further extend the operating bandwidth, as well as to further reduce losses, especially in the case of the TE<1> mode, which for this architecture, presents higher losses than for the TEo mode.

El documento de L. Xu, Y. Wang, A. Kumar, E. El-Fiky, D. Mao, H. Tamazin, M. Jacques, Z. Xing, M. Ghulam Saber y D. V. Plant, “Compact high-performance adiabatic 3-dB coupler enabled by subwavelength grating slot in the silicon-on-insulator platform”, Optics Express, Volumen 26, Número 23, página 29873, 2018, muestra un divisor de potencia basado en un acoplador adiabático óptico que incorpora estructuras SWG, cuyo principio de funcionamiento es la evolución adiabática de modos. Es decir, este tipo de dispositivos busca evitar la excitación de modos no deseados mediante transiciones suaves en su geometría. Su funcionamiento está pensado únicamente para el modo TEo. El diseño de este acoplador adiabático con ranura SWG se divide en cuatro regiones. Una primera región que comprende dos guías de ondas paralelas entre sí, donde la guía de ondas superior se ensancha y la inferior se estrecha. Una segunda región en la que estas dos guías de ondas se juntan mediante dos guías de ondas curvas en forma de "S". Una tercera región que es la zona de evolución modal, donde la guía de ondas superior se estrecha y la inferior se ensancha hasta que ambas alcanzan la misma anchura, manteniendo una separación constante. Una cuarta región en la que se utilizan de nuevo dos guías de ondas curvas en forma de "S" para desacoplar las dos guías de ondas. The paper by L. Xu, Y. Wang, A. Kumar, E. El-Fiky, D. Mao, H. Tamazin, M. Jacques, Z. Xing, M. Ghulam Saber, and D. V. Plant, “Compact high-performance adiabatic 3-dB coupler enabled by subwavelength grating slot in the silicon-on-insulator platform”, Optics Express, Volume 26, Issue 23, Page 29873, 2018, shows a power splitter based on an optical adiabatic coupler incorporating SWG structures, whose operating principle is the adiabatic evolution of modes. That is, this type of devices seeks to avoid the excitation of unwanted modes through smooth transitions in their geometry. Its operation is intended only for the TEo mode. The design of this SWG slot adiabatic coupler is divided into four regions. A first region comprising two waveguides parallel to each other, where the upper waveguide widens and the lower one narrows. A second region where these two waveguides are joined by two "S" shaped curved waveguides. A third region which is the modal evolution zone, where the upper waveguide narrows and the lower one widens until both reach the same width, maintaining a constant separation. A fourth region where again two "S" shaped curved waveguides are used to decouple the two waveguides.

El acoplador adiabático con ranura SWG utiliza en la zona sub-longitud de onda un periodo y ciclo de trabajo constante. En la primera región, los segmentos de silicio que conforman la estructura SWG se estrechan linealmente mientras que las dos guías paralelas varían su anchura. También se utiliza este estrechamiento lineal de las estructuras SWG en la mitad derecha de la cuarta región. Dado que este divisor se basa en la división de potencia por evolución modal y presenta dos guías de ondas separadas que no llegan a juntarse, no presenta la problemática de las uniones en Y de las limitaciones de MFS sobre la punta de la unión. En este caso, la estructura SWG sirve por lo tanto para controlar la evolución del acoplo entre las guías. Además, este dispositivo opera únicamente para el modo TEo. The SWG slot adiabatic coupler uses a constant period and duty cycle in the sub-wavelength region. In the first region, the silicon segments that make up the SWG structure are linearly tapered while the two parallel waveguides vary in width. This linear tapering of the SWG structures is also used in the right half of the fourth region. Since this splitter is based on modal evolution power splitting and features two separate waveguides that do not meet, it does not have the Y-junction problem of MFS limitations on the junction tip. In this case, the SWG structure thus serves to control the evolution of the coupling between the waveguides. Furthermore, this device operates only for TEo mode.

Por su parte el documento de N. Yang y J. Xiao,“A compact silicon-based polarizationindependent power splitter using a three-guide directional coupler with subwavelength gratings”,Optics Communications, Volumen 459, página 125095, 2020, describe un divisor de potencia basado en un acoplador direccional con tres guías de ondas asistido por redes SWG y opera para los modos TEo y el modo transversal magnético fundamental TMo. Este dispositivo comprende una sección inicial en la que una guía de ondas homogénea central reduce su anchura por medio de un taper mientras que se colocan estructuras SWG a ambos lados de esta. La región media es la región de acoplamiento, donde esta guía de ondas central se extiende en paralelo con dos guías de ondas situadas a cada uno de sus lados. Se incorporan también estructuras SWG en las caras interiores de estas guías de ondas exteriores. En la sección final, la guía de ondas central desaparece, quedando únicamente las dos guías laterales. En esta última región se reduce progresivamente la anchura de las estructuras SWG, para conseguir dos guías de ondas homogéneas. Las estructuras SWG empleadas en todo el dispositivo presentan un periodo y ciclo de trabajo constante. The paper by N. Yang and J. Xiao, “A compact silicon-based polarization-independent power splitter using a three-guide directional coupler with subwavelength gratings”, Optics Communications, Volume 459, page 125095, 2020, describes a power splitter based on a three-waveguide directional coupler assisted by SWG networks and operates for TEo modes and the fundamental transverse magnetic mode TMo. This device comprises an initial section in which a central homogeneous waveguide reduces its width by means of a taper while SWG structures are placed on both sides of it. The middle region is the coupling region, where this central waveguide extends in parallel with two waveguides located on each of its sides. SWG structures are also incorporated on the inner faces of these outer waveguides. In the final section, the central waveguide disappears, leaving only the two lateral guides. In this last region, the width of the SWG structures is progressively reduced to obtain two homogeneous waveguides. The SWG structures used throughout the device have a constant period and duty cycle.

En este caso, el dispositivo se basa en el acoplo de potencia que se genera entre guías de ondas paralelas (con una separación relativamente pequeña) al mantenerse juntas una determinada distancia, por lo que de nuevo no presenta la problemática de las uniones en Y de las limitaciones de MFS sobre la punta de la unión; y la estructura SWG sirve para controlar la evolución del acoplo entre las guías. In this case, the device is based on the power coupling generated between parallel waveguides (with a relatively small separation) by keeping them together at a certain distance, so again it does not present the problem of Y junctions with the MFS limitations on the tip of the junction; and the SWG structure serves to control the evolution of the coupling between the guides.

Finalmente, el documento de Y. Shi, B. Shao, Z. Zhang, T. Zhou, F. Luo, Y. Xu,“Ultra-Broadband and Low-Loss Silicon-Based Power Splitter Based on Subwavelength Grating-Assisted Multimode Interference Structure”, Photonics, Volumen 9, Número 7, página 435 2022, describe una estructura de interferencia multimodal (MMI) asistida por redes SWG que actúa como un divisor de potencia únicamente para el modo TE<0>. El esquema del MMI asistido por SWG comprende una región inicial que se compone de una guía de ondas de entrada y un taper encargado de aumentar progresivamente su anchura. La región central y principal del MMI consta de una guía de ondas multimodo que incorpora estructuras SWG en forma de taper, es decir, su anchura inicial es menor que la final. También incorpora dos filas de hendiduras SWG de manera uniforme en ambos laterales. La región final del dispositivo estaría formada por las dos guías de ondas de salida paralelas entre sí. Finally, the paper by Y. Shi, B. Shao, Z. Zhang, T. Zhou, F. Luo, Y. Xu, “Ultra-Broadband and Low-Loss Silicon-Based Power Splitter Based on Subwavelength Grating-Assisted Multimode Interference Structure”, Photonics, Volume 9, Issue 7, Page 435 2022, describes a SWG-assisted multimode interference (MMI) structure that acts as a power splitter only for the TE<0> mode. The SWG-assisted MMI scheme comprises an initial region consisting of an input waveguide and a taper that progressively increases its width. The central and main region of the MMI consists of a multimode waveguide incorporating taper-shaped SWG structures, i.e., its initial width is smaller than the final one. It also incorporates two rows of SWG slits uniformly on both sides. The final region of the device would be formed by the two output waveguides parallel to each other.

Este divisor de potencia se basa en la interferencia multimodal y por ello es necesario que en su diseño incorpore una guía de ondas más ancha que soporte varios modos y donde se produzca este efecto de interferencia. Además, este diseño presenta varias estructuras SWG que se incorporan dentro de esta guía multimodo: la estructura SWG central y las hendiduras SWG laterales. De nuevo, el dispositivo no presenta la problemática de las uniones en Y de las limitaciones de MFS sobre la punta de la unión; y la estructura SWG sirve para controlar la evolución de la interferencia multimodal y optimizar el acoplo a las guías de salida. This power splitter is based on multimode interference and therefore it is necessary to incorporate a wider waveguide in its design to support several modes and where this interference effect occurs. In addition, this design presents several SWG structures that are incorporated within this multimode guide: the central SWG structure and the lateral SWG slots. Again, the device does not present the problem of Y junctions or MFS limitations on the tip of the junction; and the SWG structure serves to control the evolution of multimode interference and optimize the coupling to the output guides.

En definitiva, si bien existen numerosos divisores de potencia integrados, todos ellos presentan alguna limitación en cuanto a prestaciones, incluyendo pérdidas, ancho de banda, tamaño, complejidad de diseño y tolerancias a desviaciones de fabricación. Sigue existiendo por lo tanto en el estado de la técnica necesidad de un divisor de potencia integrado compacto, eficiente, con elevado ancho de banda y de fácil fabricación. En particular, para el caso de los divisores de potencia basados en uniones en Y, existe la necesidad de obtener todas esas prestaciones evitando el detrimento que las limitaciones de MFS en la punta de la unión en Y impone sobre dichas prestaciones. In conclusion, although there are numerous integrated power dividers available, all of them have some performance limitations, including losses, bandwidth, size, design complexity and tolerances to manufacturing deviations. There is therefore still a need in the state of the art for a compact, efficient, high-bandwidth and easy-to-manufacture integrated power divider. In particular, for power dividers based on Y-junctions, there is a need to obtain all these performances while avoiding the detriment that the MFS limitations at the tip of the Y-junction impose on these performances.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

El dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda, objeto de la presente invención, soluciona varios problemas comunes a todos los dispositivos descritos anteriormente. En primer lugar, el presente dispositivo divisor de potencia de banda ultra-ancha es capaz de operar con muy bajas pérdidas en un gran rango de longitudes de onda. The waveguide-integrated power splitter device of the present invention solves several problems common to all the devices described above. Firstly, the present ultra-wideband power splitter device is capable of operating with very low losses over a wide range of wavelengths.

Más concretamente, a pesar de ser un divisor de potencia basado en una unión en Y, la invención soluciona el problema de pérdidas impuestas por las limitaciones de tamaños mínimos de rasgo (MFS, del inglés minimum feature size) en la punta de las uniones en Y conocidas en el estado de la técnica, sin necesidad de modificar dicho MFS. Es decir, para un mismo límite en el tamaño mínimo de rasgo en la punta de la unión en Y (es decir, la región de unión entre el tallo y los brazos), la invención consigue reducir notablemente las pérdidas ocasionadas en dicha punta gracias a la reconducción de la luz difractada por la punta hacia los brazos. More specifically, despite being a power divider based on a Y junction, the invention solves the problem of losses imposed by the limitations of minimum feature size (MFS) at the tip of the Y junctions known in the state of the art, without the need to modify said MFS. That is, for the same limit in the minimum feature size at the tip of the Y junction (i.e., the junction region between the stem and the arms), the invention manages to significantly reduce the losses caused at said tip thanks to the redirection of the light diffracted by the tip towards the arms.

En segundo lugar, el divisor de potencia de la invención presenta una gran flexibilidad en cuanto al número de modos ópticos con los que opera. El dispositivo de la invención puede operar para un único modo fundamental (operación monomodo), para múltiples modos de una misma polarización (operación multimodo) y para los modos fundamentales de cada polarización (operación multi-polarización). Secondly, the power splitter of the invention presents a great flexibility regarding the number of optical modes with which it operates. The device of the invention can operate for a single fundamental mode (single-mode operation), for multiple modes of the same polarization (multimode operation) and for the fundamental modes of each polarization (multi-polarization operation).

En tercer lugar, el divisor de potencia de la invención presenta un tamaño compacto y una elevada tolerancia a desviaciones de fabricación (esto es, variaciones entre la geometría del diseño y las dimensiones reales del mismo tras su fabricación). Además, la invención propuesta no supone una mayor complejidad de fabricación respecto a las uniones en Y tradicionales, ya que puede fabricarse con el mismo proceso de fabricación, mismo número de pasos de este, y misma resolución o MFS. Thirdly, the power divider of the invention has a compact size and a high tolerance to manufacturing deviations (i.e. variations between the geometry of the design and the actual dimensions of the same after its manufacture). In addition, the proposed invention does not entail any greater manufacturing complexity with respect to traditional Y-junctions, since it can be manufactured with the same manufacturing process, same number of steps, and same resolution or MFS.

Concretamente, el dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda de la invención comprende: Specifically, the power divider device integrated in waveguides of the invention comprises:

- un puerto de entrada, - a port of entry,

- al menos dos puertos de salida, - at least two exit ports,

- una unión en Y, que comprende un tallo unido al puerto de entrada y al menos un primer brazo y un segundo brazo unidos a los al menos dos puertos de salida, siendo el tallo, el primer brazo y el segundo brazo guías de onda homogéneas (es decir, guías de onda continuas sin rejilla sub-longitud de onda (SWG, del iInglés subwavelenght grating), con una distribución ininterrumpida de material de núcleo), - a Y-junction, comprising a stem attached to the inlet port and at least one first arm and a second arm attached to the at least two outlet ports, the stem, the first arm and the second arm being homogeneous waveguides (i.e. continuous waveguides without subwavelength grating (SWG), with an uninterrupted distribution of core material),

- una estructura sub-longitud de onda que comprende una disposición periódica de segmentos de material de núcleo, de longitud a, y segmentos de material de cubierta; comprendiendo dicha estructura sub-longitud de onda al menos: - a sub-wavelength structure comprising a periodic arrangement of core material segments of length a and sheath material segments; said sub-wavelength structure comprising at least:

ouna primera región, en la que los segmentos de material de núcleo conectan el al menos un primer brazo y el segundo brazo; or a first region, wherein the core material segments connect the at least one first arm and the second arm;

ouna segunda región, más alejada del tallo que la primera región, en la que un primer conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al primer brazo y un segundo conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al segundo brazo; estando el primer conjunto de segmentos de material de núcleo separado del segundo conjunto de segmentos de material de núcleo; y teniendo el primer conjunto de segmentos de material de núcleo y el segundo conjunto de segmentos de material de núcleo una anchura (W) que se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo. or a second region, further away from the stem than the first region, in which a first set of core material segments are connected to the first arm and a second set of core material segments are connected to the second arm; the first set of core material segments being spaced apart from the second set of core material segments; and the first set of core material segments and the second set of core material segments having a width (W) that progressively reduces as a function of their distance from the stem.

La primera región de la estructura SWG reduce el confinamiento modal cerca de la punta de la unión de los dos brazos y suaviza la transición modal desde el tallo a los brazos, reduciendo las pérdidas. A su vez, la segunda región de la estructura SWG permite reconducir la luz difractada por la punta hacia los brazos, reduciendo también las pérdidas. La combinación sinérgica de los dos efectos resulta en una reducción significativa de las pérdidas. Además, las características dispersivas de las estructuras SWG permiten que estos efectos ocurran para un ancho de banda ultra-ancho. The first region of the SWG structure reduces modal confinement near the tip of the junction of the two arms and smooths the modal transition from the stem to the arms, reducing losses. In turn, the second region of the SWG structure allows light diffracted by the tip to be redirected back to the arms, also reducing losses. The synergistic combination of the two effects results in a significant reduction in losses. Furthermore, the dispersive characteristics of the SWG structures allow these effects to occur for an ultra-wide bandwidth.

Concretamente, una región SWG es una zona en la que se intercalan dos materiales: un material de núcleo que compone las guías de onda y un material del recubrimiento. Se caracterizan por tener un periodo(A = a b)de repetición de los segmentos de silicio (de alto H y ancho W) mucho menor que la longitud de onda que se propaga por la guía de onda. Esto permite que la luz que se propaga por la región SWG la interprete como un único material homogéneo, a lo que llamamos metamaterial, que combina las propiedades ópticas de sus dos constituyentes. Specifically, a SWG region is an area where two materials are intercalated: a core material that makes up the waveguides and a coating material. They are characterized by having a repetition period (A = a b) of the silicon segments (of height H and width W) much smaller than the wavelength that propagates through the waveguide. This allows the light that propagates through the SWG region to interpret it as a single homogeneous material, which we call a metamaterial, which combines the optical properties of its two constituents.

De acuerdo con una realización preferente, la unión en Y es una unión en Y simétrica. Es decir, la unión en Y comprende dos brazos de la misma anchura y con el mismo ángulo respecto al tallo. En este caso, el divisor de potencia opera como divisor de potencia a 3 dB. No obstante, implementaciones particulares de la invención pueden tener un mayor número de brazos, así como ratios de potencia diferentes de 0.5 (3 dB) para el caso de brazos de distinta anchura y/o distinto ángulo respecto al tallo. In a preferred embodiment, the Y-junction is a symmetrical Y-junction. That is, the Y-junction comprises two arms of the same width and at the same angle relative to the stem. In this case, the power divider operates as a 3 dB power divider. However, particular implementations of the invention may have a greater number of arms, as well as power ratios different from 0.5 (3 dB) for the case of arms of different widths and/or different angles relative to the stem.

De acuerdo con otra realización preferente, el dispositivo comprende además un adaptador modal (también conocido como taper) que une el tallo a los al menos primer brazo y segundo brazo, presentando dicho adaptador modal una mayor anchura en un interfaz con el primer brazo y el segundo brazo, que en un interfaz con el tallo. Esta adaptación de anchuras permite optimizar las prestaciones del dispositivo cuando la anchura de los dos brazos es mayor que la anchura del tallo. Esto es el caso típicamente en operación monomodo, pero el taper puede también incluirse en operación multimodo con tallos más estrechos que la suma de los dos brazos. According to another preferred embodiment, the device further comprises a modal adapter (also known as a taper) that joins the stem to the at least first arm and second arm, said modal adapter having a greater width at an interface with the first arm and the second arm than at an interface with the stem. This adaptation of widths allows optimizing the performance of the device when the width of the two arms is greater than the width of the stem. This is typically the case in single-mode operation, but the taper can also be included in multi-mode operation with stems narrower than the sum of the two arms.

De acuerdo con otra realización preferente, la estructura SWG del dispositivo puede comprender una tercera región en la que los segmentos de material de núcleo sobresalen por unos laterales externos de los brazos (es decir, los laterales opuestos a la punta de la unión en Y, y por lo tanto, a la primera región de la estructura SWG). Preferentemente dichos segmentos de material de núcleo sobresalen también por los laterales del tallo. According to another preferred embodiment, the SWG structure of the device may comprise a third region in which the core material segments protrude from external sides of the arms (i.e. the sides opposite the tip of the Y-joint, and therefore, from the first region of the SWG structure). Preferably said core material segments also protrude from the sides of the stem.

El dispositivo presenta dos configuraciones de operación preferentes respecto a la longitud (a) de los segmentos de material de núcleo, y por lo tanto respecto al factor de llenado de la estructura SWG: The device presents two preferred operating configurations with respect to the length (a) of the core material segments, and therefore with respect to the filling factor of the SWG structure:

- Longitud (a) fija a lo largo de toda la estructura SWG. Es decir, toda la estructura SWG presenta un factor de llenado constante. - Fixed length (a) throughout the SWG structure. That is, the entire SWG structure has a constant filling factor.

- Longitud (a) variable, que se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo. Dicha reducción de longitud puede realizarse progresivamente durante toda la longitud de la estructura SWG, o bien comenzar a partir de una determinada distancia de la punta (es decir, la longitud es inicialmente constante durante un primer número de periodos, y se reduce progresivamente durante un segundo número de periodos). - Variable length (a), which is progressively reduced depending on its distance from the stem. This reduction in length can occur progressively over the entire length of the SWG structure, or it can start from a certain distance from the tip (i.e. the length is initially constant for a first number of periods, and is progressively reduced over a second number of periods).

El dispositivo presenta también dos configuraciones preferentes en cuanto a la geometría de los segmentos de material de núcleo de la segunda región de la estructura SWG: The device also has two preferred configurations regarding the geometry of the core material segments of the second region of the SWG structure:

- La anchura (W) de los segmentos de material de núcleo de la segunda región se reduce progresivamente entre una anchura inicial (Wo) y una anchura final(Wf)de manera lineal. Es decir, el extremo inferior de los segmentos de material de núcleo conectados al primer brazo (brazo superior), y el extremo superior de los segmentos de material de núcleo conectados al segundo brazo (brazo inferior), siguen una línea recta. - The width (W) of the core material segments of the second region is progressively reduced between an initial width (Wo) and a final width (Wf) in a linear manner. That is, the lower end of the core material segments connected to the first arm (upper arm), and the upper end of the core material segments connected to the second arm (lower arm), follow a straight line.

- La anchura (W) de los segmentos de material de núcleo de la segunda región se reduce progresivamente entre una anchura inicial (Wo) y una anchura final (Wf) siguiendo una curva. Es decir, el extremo inferior de los segmentos de material de núcleo conectados al primer brazo (brazo superior), y el extremo superior de los segmentos de material de núcleo conectados al segundo brazo (brazo inferior), siguen una línea curva. - The width (W) of the core material segments of the second region is progressively reduced between an initial width (Wo) and a final width (Wf) following a curve. That is, the lower end of the core material segments connected to the first arm (upper arm), and the upper end of the core material segments connected to the second arm (lower arm), follow a curved line.

El dispositivo presenta también dos configuraciones de operación diferentes en función de la anchura de la guía de onda del tallo: The device also features two different operating configurations depending on the width of the stem waveguide:

- Una primera configuración en el que el tallo es una guía de onda monomodo, por lo que el dispositivo funciona como divisor de potencia para los modos fundamentales TE<0>y/o TM<0>. En esta realización, el dispositivo comprende preferentemente un adaptador modal (taper) que une el tallo a los al menos primer brazo y segundo brazo, presentando dicho adaptador modal una mayor anchura en un interfaz con el primer brazo y el segundo brazo, que en un interfaz con el tallo. Nótese que la definición de guía de onda monomodo es relativa a la longitud de onda de la luz que se propaga por ella, por lo que por guía de onda monomodo se entiende aquella que cumple la condición de operación monomodo para todas las longitudes de onda del ancho de banda de operación del dispositivo. Nótese asimismo que esta primera configuración del tallo puede operar únicamente para el modo fundamental de una polarización (operación monomodo) o para los modos fundamentales de las dos polarizaciones (operación multipolarización). La misma realización y geometría del divisor de potencia de la invención puede operar tanto en operación monomodo como multipolarización, quedando dichos modos de operación definidos por el modo o modos que se introducen por el puerto de entrada. - A first configuration in which the stem is a single-mode waveguide, so that the device functions as a power divider for the fundamental modes TE<0> and/or TM<0>. In this embodiment, the device preferably comprises a modal adapter (taper) that joins the stem to the at least first arm and second arm, said modal adapter having a greater width at an interface with the first arm and the second arm, than at an interface with the stem. Note that the definition of single-mode waveguide is relative to the wavelength of the light that propagates through it, so that a single-mode waveguide is understood to be one that meets the condition of single-mode operation for all wavelengths of the operating bandwidth of the device. Note also that this first configuration of the stem can operate only for the fundamental mode of a polarization (single-mode operation) or for the fundamental modes of the two polarizations (multipolarization operation). The same embodiment and geometry of the power divider of the invention can operate both in single-mode and multipolarization operation, said operating modes being defined by the mode or modes that are introduced through the input port.

- Una segunda configuración (configuración multimodo) en el que el dispositivo funciona como divisor de potencia para los modos TE fundamental (TE<0>) y de primer orden (TE<1>); pudiendo adicionalmente funcionar como divisor de potencia simultáneamente para el modo TM fundamental (TM<0>). - A second configuration (multimode configuration) in which the device operates as a power divider for the fundamental TE (TE<0>) and first order (TE<1>) modes; additionally it can operate as a power divider simultaneously for the fundamental TM mode (TM<0>).

Nótese que, independientemente de la configuración, la unión en Y funciona como divisor de potencia para los modos TE<0>, TE<1>y TM<0>. En el caso de divisor de potencia a 3 dB, la unión en Y divide la potencia de entrada de los modos TE<0>y TM<0>, en dos modos fundamentales en fase de la misma potencia. Cuando el divisor de potencia a 3 dB opera para el modo TE<1>, además de dividir la potencia actúa como un conversor de modo. Es decir, la potencia de entrada del modo TEi se divide por igual en dos modos TEo en los brazos de la unión, presentando un desfase de 180° entre ambos modos. Note that, regardless of the configuration, the Y-junction operates as a power divider for the TE<0>, TE<1> and TM<0> modes. In the case of a 3 dB power divider, the Y-junction divides the input power of the TE<0> and TM<0> modes into two fundamental modes in phase with the same power. When the 3 dB power divider operates for the TE<1> mode, in addition to dividing the power, it acts as a mode converter. That is, the input power of the TEi mode is equally divided into two TEo modes in the arms of the junction, presenting a 180° phase shift between both modes.

Nótese asimismo que realizaciones preferentes de la invención pueden tener un mayor número de brazos (y, en consecuencia, de puertos de salida). Dicho mayor número de brazos puede utilizarse tanto para dividir un modo fundamental de entrada en un mayor número de señales de salida, como para realizar adicionalmente operaciones de conversión de modos en función de los desfases resultantes entre las señales de salida. It should also be noted that preferred embodiments of the invention may have a larger number of arms (and, consequently, output ports). Such a larger number of arms may be used both to split an input fundamental mode into a larger number of output signals, and to additionally perform mode conversion operations based on the resulting phase shifts between the output signals.

El dispositivo de la invención puede implementarse en cualquier plataforma fotónica, es decir, con cualquier combinación de material de núcleo y material de cubierta conocidos en el estado de la técnica. No obstante, de acuerdo con una realización preferente de la invención, el material de núcleo es silicio, y más preferentemente, el material de cubierta es un material seleccionado entre dióxido de silicio, aire, metacrilato, fluoropolímero, SU-8, cristal líquido, dióxido de titanio y nitruro de silicio. Estos materiales de núcleo, o de núcleo y cubierta, permiten obtener contrastes de índices elevados, lo que supone un mayor rango de diseño de los metamateriales SWG, y una mayor reducción de pérdidas respecto a una unión en Y convencional. The device of the invention can be implemented in any photonic platform, that is, with any combination of core material and cover material known in the state of the art. However, according to a preferred embodiment of the invention, the core material is silicon, and more preferably, the cover material is a material selected from silicon dioxide, air, methacrylate, fluoropolymer, SU-8, liquid crystal, titanium dioxide and silicon nitride. These core materials, or core and cover materials, allow obtaining high index contrasts, which implies a greater design range of SWG metamaterials, and a greater reduction in losses compared to a conventional Y junction.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description being made and in order to assist in a better understanding of the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of its practical implementation, a set of drawings is included as an integral part of said description, in which, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra una estructura SWG del estado de la técnica. Figure 1.- Shows a SWG structure of the state of the art.

Figura 2.- Muestra un esquema del dispositivo, en la configuración multimodo. Figure 2.- Shows a diagram of the device, in the multimode configuration.

Figura 3.- Muestra un esquema del dispositivo, en la configuración monomodo. Figure 3.- Shows a diagram of the device, in single-mode configuration.

Figura 4.- Muestra un esquema del dispositivo en el que los segmentos de silicio sobresalen por los laterales externos de los brazos y el tallo. Figure 4.- Shows a diagram of the device in which the silicon segments protrude from the external sides of the arms and stem.

Figura 5.- Muestra una comparativa de dos dispositivos en el que, en el superior, el ciclo de trabajo es constante a lo largo de toda la estructura SWG, y en el inferior un dispositivo en el que el ciclo de trabajo no es contante. Figure 5.- Shows a comparison of two devices in which, in the upper one, the work cycle is constant throughout the entire SWG structure, and in the lower one a device in which the work cycle is not constant.

Figura 6.- Muestra una comparativa de dos dispositivos en el que en el superior la estructura SWG presente una reducción lineal y en el inferior una reducción curva. Figure 6.- Shows a comparison of two devices in which the SWG structure in the upper one presents a linear reduction and in the lower one a curved reduction.

Figura 7.- Muestra un esquema del dispositivo, con tres puertos de salida. Figure 7.- Shows a diagram of the device, with three output ports.

Figura 8.- Muestra una propagación de campo TE<0>en una simulación del dispositivo. Figure 8.- Shows a TE<0> field propagation in a simulation of the device.

Figura 9.- Muestra una propagación de campo TE<1>en una simulación del dispositivo. Figure 9.- Shows a TE<1> field propagation in a simulation of the device.

Figura 10.- Muestra una propagación de campo TM<0>en una simulación del dispositivo. Figure 10.- Shows a TM<0> field propagation in a simulation of the device.

Figura 11.- Muestra una gráfica con las pérdidas simuladas del dispositivo. Figure 11.- Shows a graph with the simulated losses of the device.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 12, una realización preferente del dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda. A preferred embodiment of the power divider device integrated in waveguides is described below with the aid of Figures 1 to 12.

Como se muestra en la figura 2, el dispositivo divisor de potencia de la invención comprende: As shown in Figure 2, the power splitter device of the invention comprises:

- un puerto de entrada (1), - an inlet port (1),

- al menos dos puertos de salida (2), - at least two output ports (2),

- una unión en Y (3), que comprende un tallo (31) unido al puerto de entrada (1) y al menos un primer brazo (32) y un segundo brazo (32) unidos a los al menos dos puertos de salida (2), siendo el tallo (31), el primer brazo (32) y el segundo brazo (32) guías de onda homogéneas, - a Y-junction (3), comprising a stem (31) connected to the inlet port (1) and at least one first arm (32) and a second arm (32) connected to the at least two outlet ports (2), the stem (31), the first arm (32) and the second arm (32) being homogeneous waveguides,

ouna primera región (4), en la que los segmentos de material de núcleo conectan el al menos un primer brazo (32) y el segundo brazo (32); or a first region (4), in which the core material segments connect the at least one first arm (32) and the second arm (32);

ouna segunda región (5), más alejada del tallo (31) que la primera región (4) en la que un primer conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al primer brazo (32) y un segundo conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al segundo brazo (32); estando el primer conjunto de segmentos de material de núcleo separado del segundo conjunto de segmentos de material de núcleo; y teniendo el primer conjunto de segmentos de material de núcleo y el segundo conjunto de segmentos de material de núcleo una anchura (W que se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo (31). or a second region (5), further away from the stem (31) than the first region (4) in which a first set of core material segments are connected to the first arm (32) and a second set of core material segments are connected to the second arm (32); the first set of core material segments being spaced apart from the second set of core material segments; and the first set of core material segments and the second set of core material segments having a width (W) that progressively reduces as a function of their distance from the stem (31).

La región SWG (rejilla sub-longitud de onda del inglés sub-wavelength grating) es una zona en la que se intercalan periódicamente dos materiales, como se muestra en la figura 1: un material de núcleo que compone las guías de onda y un material del recubrimiento. Se caracterizan por tener un periodo (A) de repetición de los segmentos de material de núcleo (de anchoW,alto H y longitud a) más pequeño que la mitad de la longitud de onda efectiva que se propaga por dicha estructura SWG. Esto permite que la luz que se propaga por la región SWG la interprete como un único material homogéneo, a lo que llamamos metamaterial, que combina las propiedades ópticas de sus dos constituyentes. The SWG (sub-wavelength grating) region is an area in which two materials are periodically intercalated, as shown in Figure 1: a core material that makes up the waveguides and a cladding material. They are characterized by having a repetition period (A) of the core material segments (width W, height H and length a) smaller than half of the effective wavelength that propagates through said SWG structure. This allows the light that propagates through the SWG region to interpret it as a single homogeneous material, which we call metamaterial, which combines the optical properties of its two constituents.

Puesto que la mayoría de los dispositivos integrados no están diseñados para una única longitud de onda sino para un ancho de banda operativo, las estructuras SWG tienen que cumplir la condición citada para todo dicho ancho de banda operativo. Es decir, el periodo de la estructura SWG es menor que la mitad de la longitud de onda efectiva más pequeña dentro del ancho de banda operativo del dispositivo. Since most integrated devices are not designed for a single wavelength but for a single operating bandwidth, SWG structures have to satisfy the above condition for the entire operating bandwidth. That is, the period of the SWG structure is less than half of the smallest effective wavelength within the operating bandwidth of the device.

Nótese que los ejemplos de la invención se describen para uniones en Y simétricas, es decir, en las que los brazos (32) presentan la misma anchura y ángulo respecto al tallo, y por lo tanto se produce una división de potencia igualitaria entre los brazos. No obstante, el divisor de potencia de la invención puede implementarse igualmente con brazos (32) de distintas anchuras y ángulos, obteniéndose otras ratios de división de potencia. Note that the examples of the invention are described for symmetrical Y-joints, i.e. where the arms (32) have the same width and angle with respect to the stem, and therefore an equal power division between the arms is produced. However, the power divider of the invention can also be implemented with arms (32) of different widths and angles, obtaining other power division ratios.

Las guías de onda del dispositivo, y por lo tanto de la estructura SWG, serán preferentemente de silicio sobre aislante, específicamente para una plataforma con un material del núcleo de las guías de onda de silicio, con una cubierta de dióxido de silicio. Sin embargo, el material de cubierta puede ser otro, por ejemplo: aire, diferentes tipos de polímeros (metacrilato, fluoropolímeros, SU-8, cristal líquido), otros óxidos (dióxido de titanio) o nitruros (nitruro de silicio). También se pueden utilizar otras plataformas materiales (es decir, otros materiales de núcleo) como las llamadas plataformas III-V, u otras plataformas como SiGe. The waveguides of the device, and therefore of the SWG structure, will preferably be silicon on insulator, specifically for a platform with a silicon waveguide core material, with a silicon dioxide sheath. However, the sheath material can be other, for example: air, different types of polymers (methacrylate, fluoropolymers, SU-8, liquid crystal), other oxides (titanium dioxide) or nitrides (silicon nitride). Other material platforms (i.e. other core materials) can also be used, such as so-called III-V platforms, or other platforms such as SiGe.

La ventaja particular del silicio es que es la que tiene mayor contraste de índice, y por lo tanto, en la que más útil resultan los metamateriales SWG para la finalidad propuesta, ya que supone un mayor rango de diseño de los metamateriales SWG y una mayor reducción de pérdidas respecto a una unión en Y convencional. No obstante, el dispositivo se puede implementar en cualquier otra. The particular advantage of silicon is that it has the highest index contrast, and therefore, the one in which SWG metamaterials are most useful for the proposed purpose, since it implies a greater design range of SWG metamaterials and a greater reduction in losses compared to a conventional Y junction. However, the device can be implemented in any other.

El dispositivo presenta dos configuraciones de operación diferentes en función de la anchura de la guía de onda del tallo: The device features two different operating configurations depending on the width of the stem waveguide:

- Una configuración en la que el puerto de entrada (1) es una guía multimodo, mostrado en la figura 2. Es decir, el dispositivo funciona como divisor de potencia para los modos TE fundamental (TE<0>) y de primer orden (TE<1>); pudiendo adicionalmente funcionar como divisor de potencia simultáneamente para el modo TM fundamental (TM<0>). En el caso de divisor de potencia a 3 dB, la unión en Y (3) divide la potencia de entrada de los modos TE<0>y TM<0>en dos modos fundamentales en fase de la misma potencia. Cuando el divisor de potencia a 3 dB opera para el modo TE<1>, además de dividir la potencia actúa como un conversor de modo. Es decir, la potencia de entrada del modo TE<1>se divide por igual en dos modos TE<0>en los brazos (32) de la unión en Y (3), presentando un desfase de 180° entre ambos modos. - A configuration in which the input port (1) is a multimode guide, shown in figure 2. That is, the device works as a power divider for the fundamental TE modes (TE<0>) and first order (TE<1>); additionally it can work as a power divider simultaneously for the fundamental TM mode (TM<0>). In the case of a 3 dB power divider, the Y junction (3) divides the input power of the TE<0> and TM<0> modes into two fundamental modes in phase of the same power. When the 3 dB power divider operates for the TE<1> mode, in addition to dividing the power it acts as a mode converter. That is, the input power of the TE<1> mode is equally divided into two TE<0> modes in the arms (32) of the Y junction (3), presenting a phase shift of 180° between both modes.

- Una configuración en la que el puerto de entrada (1) es una guía de onda monomodo, mostrada en la figura 3, por lo que el dispositivo funciona como divisor de potencia para los modos fundamentales TEo y/o TMo. En esta realización, el dispositivo comprende preferentemente un adaptador modal (6) en el tallo (3), que une el puerto de entrada (1) a los al menos primer brazo (32) y segundo brazo (32), presentando dicho adaptador modal una mayor anchura en un interfaz con el primer brazo (32) y el segundo brazo (32), que en un interfaz con el puerto de entrada (1). Nótese que la definición de guía de onda monomodo es relativa a la longitud de onda de la luz que se propaga por ella, por lo que por guía de onda monomodo se entiende aquella que cumple la condición de operación monomodo para todas las longitudes de onda del ancho de banda de operación del dispositivo. Nótese asimismo que esta configuración del tallo (31) puede operar únicamente para el modo fundamental de una polarización (operación monomodo) o para los modos fundamentales de las dos polarizaciones (operación multipolarización). La misma realización y geometría del divisor de potencia de la invención puede operar tanto en operación monomodo como multipolarización, quedando dichos modos de operación definidos por el modo o modos que se introducen por el puerto de entrada. - A configuration in which the input port (1) is a single-mode waveguide, shown in Figure 3, whereby the device functions as a power divider for the fundamental modes TEo and/or TMo. In this embodiment, the device preferably comprises a modal adapter (6) in the stem (3), which joins the input port (1) to the at least first arm (32) and second arm (32), said modal adapter having a greater width at an interface with the first arm (32) and the second arm (32), than at an interface with the input port (1). Note that the definition of single-mode waveguide is relative to the wavelength of the light propagating through it, whereby a single-mode waveguide is understood to be one that meets the single-mode operation condition for all wavelengths of the operating bandwidth of the device. It should also be noted that this configuration of the stem (31) can operate only for the fundamental mode of one polarization (single-mode operation) or for the fundamental modes of the two polarizations (multipolarization operation). The same embodiment and geometry of the power divider of the invention can operate both in single-mode and multipolarization operation, said operating modes being defined by the mode or modes that are introduced through the input port.

En un aspecto de la invención, mostrado en detalle en la figura 4, el dispositivo comprende además una tercera región (7) en la que los segmentos de material de núcleo sobresalen por unos laterales externos al menos primer brazo (32) y segundo brazo (32) opuestos a la primera región (4). La estructura SWG puede comprender además unos segmentos de material de núcleo que sobresalen por unos laterales externos del tallo (31). In one aspect of the invention, shown in detail in Figure 4, the device further comprises a third region (7) in which the core material segments protrude from external sides of at least the first arm (32) and second arm (32) opposite the first region (4). The SWG structure may further comprise core material segments protruding from external sides of the stem (31).

Por otra parte, en la estructura SWG, el ciclo de trabajo es un parámetro que relaciona la cantidad de silicio que hay en un periodo (parámetro A en la figura 1). Es decir, cuanto mayor sea la longitud de los segmentos de silicio (parámetro “a” en la figura 1), mayor es el ciclo de trabajo. En el dispositivo de la invención el ciclo de trabajo puede ser constante a lo largo de toda la estructura SWG (como se muestra en la parte superior de la figura 5) teniendo la longitud de los segmentos de silicio (a) en la estructura SWG un valor fijo a lo largo de toda la estructura SWG, o bien se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo (31), como se muestra en la parte inferior de la figura 5, es decir, la longitud de los segmentos de silicio (a) en la región SWG disminuye a lo largo de todo el dispositivo. El primer segmento tiene una longitud ao, mayor que la del segundo segmento de longitud a<2>, y así sucesivamente(ao>ai> a<2>>... >af).On the other hand, in the SWG structure, the duty cycle is a parameter that relates the amount of silicon in a period (parameter A in Figure 1). That is, the longer the length of the silicon segments (parameter “a” in Figure 1), the higher the duty cycle. In the device of the invention, the duty cycle can be constant throughout the entire SWG structure (as shown in the upper part of Figure 5) with the length of the silicon segments (a) in the SWG structure having a fixed value throughout the entire SWG structure, or it is progressively reduced depending on its distance from the stem (31), as shown in the lower part of Figure 5, that is, the length of the silicon segments (a) in the SWG region decreases throughout the entire device. The first segment has a length ao, greater than that of the second segment with a length a<2>, and so on (ao>ai> a<2>>... >af).

En otro aspecto de la invención, que se muestra en detalle en la figura 6, la anchura Wde los segmentos de silicio de la estructura SWG en la segunda región (5) se reduce progresivamente. Esta reducción puede ser lineal (pasan de una profundidad inicialW0a una profundidad final Wf) como puede verse en la parte superior de la figura 6. Alternativamente, esta reducción puede realizarse siguiendo una curva, como se muestra en la parte inferior de la figura 6. In another aspect of the invention, shown in detail in Figure 6, the width W of the silicon segments of the SWG structure in the second region (5) is progressively reduced. This reduction may be linear (from an initial depth W0 to a final depth Wf) as can be seen in the upper part of Figure 6. Alternatively, this reduction may be performed following a curve, as shown in the lower part of Figure 6.

Nótese que la invención no está limitada a dos puertos de salida (2), sino que puede tener un mayor número de dichos puertos de salida (2), y en consecuencia de brazos (32). En la figura 7 se presenta un ejemplo en el que el tallo (31) se divide en tres brazos (32). Las regiones de la estructura SWG se repiten por lo tanto entre cada par de brazos (32). Es decir, entre el primer y el segundo brazo (32) hay una primera región (4), en la que los segmentos de material de núcleo conectan el al menos un primer brazo (32) y el segundo brazo (32); replicándose dicha primera región (4) entre el segundo brazo (32) y el tercer brazo (32). A continuación entre el primer y el segundo brazo (32) hay una segunda región (5), más alejada del tallo (31) que la primera región (4), en la que un primer conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al primer brazo (32) y un segundo conjunto de segmentos de material de núcleo están conectados al segundo brazo (32); estando el primer conjunto de segmentos de material de núcleo separado del segundo conjunto de segmentos de material de núcleo; y teniendo el primer conjunto de segmentos de material de núcleo y el segundo conjunto de segmentos de material de núcleo una anchura (W que se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo (31); replicándose dicha segunda región (5) entre el segundo brazo (32) y el tercer brazo (32). Note that the invention is not limited to two outlet ports (2), but may have a greater number of such outlet ports (2), and consequently arms (32). An example is presented in Figure 7 where the stem (31) is divided into three arms (32). The regions of the SWG structure are therefore repeated between each pair of arms (32). That is, between the first and second arms (32) there is a first region (4), in which core material segments connect the at least one first arm (32) and the second arm (32); said first region (4) being replicated between the second arm (32) and the third arm (32). Next between the first and second arms (32) there is a second region (5), further away from the stem (31) than the first region (4), in which a first set of core material segments are connected to the first arm (32) and a second set of core material segments are connected to the second arm (32); the first set of core material segments being spaced apart from the second set of core material segments; and the first set of core material segments and the second set of core material segments having a width (W) that progressively reduces as a function of their distance from the stem (31); said second region (5) being replicated between the second arm (32) and the third arm (32).

La figura 8 muestra con mayor detalle un ejemplo de propagación de un modo TE<0>que se introduce por el puerto de entrada (1) del dispositivo de la invención en una configuración simétrica con dos brazos (32). La potencia del modo TE<0>se divide por igual en los dos brazos (32), resultando en dos modos TE<0>, uno en cada puerto de salida (2), con una diferencia de fase de 0°. En la figura se observa además como la luz difractada por las limitaciones de MFS de la punta de la unión en Y (3) es reconducida de nuevo hacia los brazos (32), reduciendo las pérdidas finales. Figure 8 shows in greater detail an example of propagation of a TE<0> mode that is introduced through the input port (1) of the device of the invention in a symmetrical configuration with two arms (32). The power of the TE<0> mode is divided equally into the two arms (32), resulting in two TE<0> modes, one in each output port (2), with a phase difference of 0°. The figure also shows how the light diffracted by the MFS limitations of the tip of the Y-junction (3) is redirected back towards the arms (32), reducing the final losses.

La figura 9 muestra con mayor detalle un ejemplo de propagación de un modo TE<1>que se introduce por el puerto de entrada (1) del dispositivo de la invención en una configuración simétrica con dos brazos (32). La potencia del modo TE<1>se divide por igual en los dos brazos (32), resultando en dos modos TE<0>, uno en cada puerto de salida (2), con una diferencia de fase de 180°. Figure 9 shows in greater detail an example of propagation of a TE<1> mode that is introduced through the input port (1) of the device of the invention in a symmetrical configuration with two arms (32). The power of the TE<1> mode is divided equally into the two arms (32), resulting in two TE<0> modes, one at each output port (2), with a phase difference of 180°.

La figura 10 muestra con mayor detalle un ejemplo de propagación de un modo TM<0>que se introduce por el puerto de entrada (1) del dispositivo de la invención en una configuración simétrica con dos brazos (32). La potencia del modo TM<0>se divide por igual en los dos brazos (32), resultando en dos modos TM<0>, uno en cada puerto de salida (2), con una diferencia de fase de 0°. Figure 10 shows in greater detail an example of propagation of a TM<0> mode that is introduced through the input port (1) of the device of the invention in a symmetrical configuration with two arms (32). The power of the TM<0> mode is divided equally into the two arms (32), resulting in two TM<0> modes, one at each output port (2), with a phase difference of 0°.

Nótese que en los tres casos anteriores, se han descrito por simplicidad para un caso sin pérdidas ni desbalanceo, con el fin de explicar la evolución de los modos y el funcionamiento del dispositivo. Por lo tanto, los valores de fase y potencia citados son valores ideales, pudiendo estar afectados en una implementación por pequeñas desviaciones y limitaciones de fabricación respecto al diseño ideal. Note that in the three previous cases, they have been described for simplicity for a case without losses or imbalance, in order to explain the evolution of the modes and the operation of the device. Therefore, the phase and power values cited are ideal values, which may be affected in an implementation by small deviations and manufacturing limitations with respect to the ideal design.

La figura 11 presenta resultados de simulación mediante diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD, del inglés finite-difference time-domain) del dispositivo divisor de potencia descrito para los modos TE<0>, TE<1>y TM<0>. Los resultados corresponden a una implementación en silicio sobre aislante (SOI, de Silicon-On-Insulator en inglés) con un periodo de 180 nm, aunque puede igualmente implementarse en otros materiales y con otros periodos en función de la plataforma material y el rango operativo de longitudes de onda. Figure 11 presents finite-difference time-domain (FDTD) simulation results of the described power divider device for TE<0>, TE<1>, and TM<0> modes. The results are for a silicon-on-insulator (SOI) implementation with a period of 180 nm, although it can also be implemented in other materials and with other periods depending on the material platform and the operating wavelength range.

El dispositivo presenta unas pérdidas muy bajas (< 0.2 dB) para todos los modos en todo el rango de longitudes de onda que cubren todas las bandas de telecomunicaciones ópticas O, E, S, C, L y U (1260 nm - 1675 nm), mientras que otros divisores de potencia trabajan típicamente en una única banda o en un menor ancho de banda total. Para los modos TE<0>y TE<1>su ancho de banda operacional con pérdidas mínimas (< 0.1 dB) se amplía, extendiéndose hasta los 2000 nm. The device features very low losses (< 0.2 dB) for all modes over the entire wavelength range covering all optical telecommunication bands O, E, S, C, L and U (1260 nm - 1675 nm), while other power splitters typically work in a single band or in a smaller total bandwidth. For TE<0> and TE<1> modes its operational bandwidth with minimal losses (< 0.1 dB) is extended up to 2000 nm.

La invención también permite reducir la longitud total de este tipo de dispositivos, dando lugar a un diseño compacto (menor a 12 ^m en el ejemplo de la figura 11). Además, sus robustas tolerancias ante variaciones en los procesos de fabricación aseguran una operatividad estable para todos los modos en todas las bandas de telecomunicaciones ópticas (O, E, S, C, L y U). The invention also allows to reduce the overall length of this type of device, resulting in a compact design (less than 12 ^m in the example of figure 11). In addition, its robust tolerances to variations in manufacturing processes ensure stable operation for all modes in all optical telecommunications bands (O, E, S, C, L and U).

Claims

1. - Power divider device integrated in waveguides comprising:

- an inlet port (1),

- at least two output ports (2),

- a Y-junction (3), comprising a stem (31) connected to the inlet port (1) and at least one first arm (32) and a second arm (32) connected to the at least two outlet ports (2), the stem (31), the first arm (32) and the second arm (32) being homogeneous waveguides,

The device is characterized in that it additionally comprises:

- a sub-wavelength structure comprising a periodic arrangement of core material segments of length a and sheath material segments; said sub-wavelength structure comprising at least:

or a first region (4), in which the core material segments connect the at least one first arm (32) and the second arm (32);

or a second region (5), further away from the stem (31) than the first region (4), in which a first set of core material segments are connected to the first arm (32) and a second set of core material segments are connected to the second arm (32); the first set of core material segments being spaced apart from the second set of core material segments; and the first set of core material segments and the second set of core material segments having a width (W) that progressively reduces as a function of their distance from the stem (31).

2. The device of claim 1, characterized in that the Y-junction is a symmetrical Y-junction.

3. The device of claim 1, further comprising a modal adapter (6) connecting the stem (31) to the at least one first arm (32) and the second arm (32), said modal adapter (6) having a greater width at an interface with the first arm (32) and the second arm (32), than at an interface with the stem (31).

4. The device of claim 1, wherein the sub-wavelength structure further comprises a third region (7) in which the core material segments protrude from external sides of at least the first arm (32) and second arm (32) opposite the first region (4).

5. The device of claim 4, wherein the sub-length structure further comprises segments of core material protruding from outer sides of the stem (31).

6. The device of claim 1, wherein the core material segments of the second region (5) have a length (a) of fixed value along the entire sub-wavelength structure.

7. The device of claim 1, wherein the core material segments of the second region (5) have a length (a) that progressively reduces as a function of their distance from the stem (31).

8. The device of claim 1, wherein the width (W) of the core material segments of the second region (5) is progressively reduced between an initial width (W0) and a final width (Wf) in a linear manner.

9. The device of claim 1, wherein the width (W) of the core material segments of the second region (5) is progressively reduced between an initial width (Wo) and a final width (Wf) according to a curve.

10. The device of claim 1, wherein the stem is a single-mode waveguide.

11. The device of claim 1, wherein the stem is a multimode waveguide.

12. The device of claim 1, wherein the core material is silicon.

13. The device of claim 12, wherein the cover material is a material selected from silicon dioxide, air, methacrylate, fluoropolymer, SU-8, liquid crystal, titanium dioxide and silicon nitride.