ES2981814A1

ES2981814A1 - Dispositivo divisor de potencia integrado en guias de onda

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.

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO DIVISOR DE POTENCIA INTEGRADO EN GUÍAS DE ONDA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

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.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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.

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.

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.

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).

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.

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>.

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.

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”.

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.

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.

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).

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

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.

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.

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).

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.

Concretamente, el dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda de la invención comprende:

- un puerto de entrada,

- al menos dos puertos de salida,

- 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),

- 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:

ouna primera región, en la que los segmentos de material de núcleo conectan el al menos un primer brazo y el segundo brazo;

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

- Longitud (a) fija a lo largo de toda la estructura SWG. Es decir, toda la estructura SWG presenta un factor de llenado constante.

- 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).

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:

- 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.

- 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.

El dispositivo presenta también dos configuraciones de operación diferentes en función de la anchura de la guía de onda del tallo:

- 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.

- 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>).

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.

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.

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.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

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:

Figura 1.- Muestra una estructura SWG del estado de la técnica.

Figura 2.- Muestra un esquema del dispositivo, en la configuración multimodo.

Figura 3.- Muestra un esquema del dispositivo, en la configuración monomodo.

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.

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.

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.

Figura 7.- Muestra un esquema del dispositivo, con tres puertos de salida.

Figura 8.- Muestra una propagación de campo TE<0>en una simulación del dispositivo.

Figura 9.- Muestra una propagación de campo TE<1>en una simulación del dispositivo.

Figura 10.- Muestra una propagación de campo TM<0>en una simulación del dispositivo.

Figura 11.- Muestra una gráfica con las pérdidas simuladas del dispositivo.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

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.

Como se muestra en la figura 2, el dispositivo divisor de potencia de la invención comprende:

- un puerto de entrada (1),

- al menos dos puertos de salida (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,

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);

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).

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.

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.

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.

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.

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.

El dispositivo presenta dos configuraciones de operación diferentes en función de la anchura de la guía de onda del tallo:

- 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.

- 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.

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).

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).

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.

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).

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.

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°.

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°.

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.

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.

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.

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).

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo divisor de potencia integrado en guías de onda que comprende:

- un puerto de entrada (1),

- al menos dos puertos de salida (2),

estando el dispositivo caracterizado por que adicionalmente comprende:

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).

2. - El dispositivo de la reivindicación 1, caracterizado por que la unión en Y es una unión en Y simétrica.

3. - El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un adaptador modal (6) que une el tallo (31) a los al menos un primer brazo (32) y segundo brazo (32), presentando dicho adaptador modal (6) una mayor anchura en un interfaz con el primer brazo (32) y el segundo brazo (32), que en un interfaz con el tallo (31).

4. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la estructura sub-longitud de onda 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).

5. - El dispositivo de la reivindicación 4, en el que la estructura sub-longitud comprende además unos segmentos de material de núcleo que sobresalen por unos laterales externos del tallo (31).

6. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que los segmentos de material de núcleo de la segunda región (5) tienen una longitud (a) de valor fijo a lo largo de toda la estructura sub longitud de onda.

7. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que los segmentos de material de núcleo de la segunda región (5) tienen una longitud (a) que se reduce progresivamente en función de su distancia al tallo (31).

8. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la anchura (W) de los segmentos de material de núcleo de la segunda región (5) se reduce progresivamente entre una anchura inicial (W0) y una anchura final(Wf)de manera lineal.

9. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la anchura (W) de los segmentos de material de núcleo la segunda región (5) se reduce progresivamente entre una anchura inicial (Wo) y una anchura final (Wf) de acuerdo con una curva.

10. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el tallo es una guía de onda monomodo.

11. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el tallo es una guía de onda multimodo.

12. - El dispositivo de la reivindicación 1, en el que el material de núcleo es silicio.

13. - El dispositivo de la reivindicación 12, en el que 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.