ESTRUCTURA DE CRUCE ENTRE GUIAS FOTONICAS INTEGRADAS.

La invención presenta una estructura de cruce de guías (2) fotónicas integradas,

que tiene como resultado unas pérdidas de inserción mínimas y una diafonía de señal lo más pequeña posible. El diseño de este cruce es tal que las guías (2), antes de cruzarse y hasta el momento del cruce (5) comienzan a aumentar y disminuir la derivada de su anchura más de una vez, acabando disminuyéndola en el momento del cruce (5)

Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas.

Campo de la invención

La presente invención se aplica al campo de las telecomunicaciones, y en particular al diseño de los circuitos integrados fotónicos, extendiéndose su aplicación a los sectores industriales que hacen uso de las tecnologías ópticas con diversas aplicaciones en campos como el de la medicina, comunicaciones espaciales, aplicaciones militares, etc.

Antecedentes de la invención

Actualmente, es cada vez mayor el empleo de sistemas ópticos para la transmisión de información a alta velocidad. Además, en los últimos años se ha hecho más importante la demanda de sistemas compactos de reducidas dimensiones, que puedan realizar diversas aplicaciones, y que a su vez resulten adecuados en lo que a dimensiones y masa se refiere, para aplicaciones tan exclusivas como las espaciales o militares.

Dentro de las tecnologías de comunicaciones ópticas, se sabe que puede utilizarse más de una longitud de onda para transmitir la información. En particular, las longitudes de onda más usadas en fotónica son tres, la llamada "primera ventana" a 850 nm, la "segunda ventana" a 1300 nm y la "tercera ventana" a 1550 nm. Se emplean estas regiones del espectro para la transmisión por fibra óptica debido a que son zonas de baja atenuación en fibra óptica aunque en dispositivos fotónicos integrados se utilizan además otros valores de longitudes de onda.

El diseño de dispositivos nanofotónicos integrados capaces de realizar diversas aplicaciones en reducidas dimensiones, deberá tener también en cuenta estas bandas de trabajo, y deberán ser diseñados para la banda de interés. Para elementos sencillos, como los cruces que se tratan en la presente invención, es deseable que su ancho de banda de trabajo sea lo más grande posible, ya que estos cruces individuales formaran parte de diseños mayores y más complejos, que podrían trabajar alrededor de cualquiera de las bandas citadas anteriormente.

Cabe destacar que actualmente las principales aplicaciones de la fotónica, y por tanto también de la fotónica integrada, están diseñadas para la tercera ventana. Esto hace que el material más usado en fotónica integrada para la fabricación de las guías por las que viaja la señal óptica sea el Silicio (Si) u Oxido de Silicio (SiO₂), por la adecuación de este material a dicha longitud de onda, sin embargo también se emplean en la actualidad otros materiales como puede ser el nitruro de silicio (SiN), el oxinitruro de silicio (SiON) o el arseniuro de galio (GaAs, AlGaAs) entre otros.

La creciente demanda de aplicaciones para los diseños fotónicos integrados, hace que cada vez éstos sean de dimensiones mayores, y más comúnmente se produzcan intersecciones no deseadas entre sus guías para hacer posible el diseño final.

El problema que se plantea es la optimización del diseño de los cruces de guías ópticas, de manera que se minimicen las pérdidas en los cruces y se haga mínima también la potencia que se desvía de la guía original y que pasa a ser guiada por la guía con la que se cruza. Esta última potencia es conocida también como interferencia o diafonía ("crosstalk").

Por lo tanto la optimización buscará que una guía atravesada por otra se asemeje lo máximo posible a una guía no atravesada.

Otro punto a tener en cuenta en el diseño de un circuito que incluya cruces con motivos demasiado pequeños es la problemática a la hora de realizar un proceso de recubrimiento superior ("Upper cladding") en el dispositivo en cuestión. Este proceso de fabricación consiste en recubrir el circuito integrado con una capa de un material de índice de refracción menor al usado por las guías del circuito, para así proteger el diseño de factores externos sin alterar su operatividad. No obstante, el proceso no funciona correctamente cuando los motivos son demasiado pequeños ya que éstos no se consiguen rellenar por el material depositado, quedando así burbujas de aire que harían inoperable al dispositivo en entornos como el espacial.

Un estudio más preciso del estado de la técnica que existe hasta el momento sobre cruces de guías ópticas integradas revela la publicación de distintos diseños de cruces integrados que intentan optimizar sus resultados variando sus anchuras, sus ángulos de intersección o incluyendo distintos motivos de reducidas dimensiones como agujeros en las guías. Una descripción de esta última idea fue publicada por los autores Steven G. Johnson y Christina Manolatou entre otros, en la revista Optics Letters, volumen 23, No. 23 del año 1998. Los excelentes resultados obtenidos tenían el inconveniente de ser sólo validos en un ancho de banda reducido y además la pequeña dimensión de los agujeros implicaba baja capacidad de repetir los resultados, ya que pequeñas variaciones en el proceso de fabricación podrían afectar en gran medida a los resultados finales.

Otra solución más sencilla es la publicada por P. Sanchis y J.V. Galan entre otros, en IEEE Photonics Technology Letters, volumen 19, No. 20 del año 2007. En ella se realiza un estudio del ángulo óptimo de los cruces para guías de Silicio de 500 nm de ancho por 205 nm de alto para transmisión en tercera ventana. La sencillez de este último diseño y la posibilidad de realizarle un proceso de recubrimiento superior sin ningún problema lo hacen atractivo de cara a su fabricación. No obstante los resultados obtenidos muestran unas pérdidas en transmisión y una diafonía demasiado altas.

Finalmente, podemos nombrar un último tipo de solución publicada por W. Bogaerts y P. Dumon en Optics Letters, volumen 32, No. 19 del año 2007. En esta publicación se realizan distintas pruebas de diseño de cruces de 6pm de dimensión de lado a lado con formas elípticas, usando guías de transmisión de 500 nm de ancho por 220 nm de alto y transmisión en tercera ventana. La conclusión del anterior estudio puede resumirse en que únicamente mediante diseños que requieren procesos de fabricación a dos niveles de atacado obtienen excelentes resultados en términos de pérdidas y diafonía. Esto quiere decir que cada cruce necesita el doble de tiempo de fabricación, puesto que necesita de un primer proceso donde se realiza el primer atacado de la oblea de Silicio, seguido de un proceso de alineamiento, y un segundo atacado de la oblea sobre el atacado anterior. Además se añade la problemática del proceso de alineamiento intermedio que supondrá, en caso de no ser perfecto, un error en el segundo proceso de atacado.

Descripción de la invención

El objeto de la invención es proporcionar un diseño compacto del cruce de guías fotónicas integradas, que tenga como resultado unas pérdidas de inserción mínimas y una diafonía de señal lo más pequeña posible, es decir, que la diferencia entre la potencia óptica a la entrada y a la salida de una guía que se cruza con otra, sea mínima y que además la potencia óptica que se desvíe por la guía con la que se cruza también sea mínima.

La presente invención trata de resolver los problemas anteriormente expuestos, con un diseño compacto de cruce entre guías ópticas integradas, es decir para circuitos fotónicos pasivos integrados. El diseño que se va a presentar para la descripción está optimizado para su realización con guías de Silicio (Si) de 500 nm de ancho y 250 nm de alto para transmisión alrededor de la tercera ventana. No obstante el diseño se puede extrapolar a otras longitudes de onda, otro tamaño, tipología o geometría de guías e incluso a otro tipo de material.

El diseño del cruce estará formado por tanto por dos guías cruzadas con las especificaciones detalladas anteriormente. El exclusivo diseño de las guías comienza 3pm antes del punto exacto de cruce y además el diseño completo es totalmente simétrico visto por cualquiera de sus cuatro entradas. Por lo tanto, la longitud total del cruce para el caso particular de la guía de silicio que estamos considerando a modo de ejemplo, es de 6 μm (3 μm desde que comienza el diseño hasta el punto de cruce y otras 3 μm desde el punto de cruce hasta que acaba el diseño y se pasa otra vez a la guía general de 500 x 250 nm). Estas dimensiones variarían en función de las guías empleadas.

El diseño mantiene en todo momento la altura impuesta por las guías que se...

1. Estructura de cruce entre guías (2) fotónicas integradas, caracterizada porque dichas guías (2), antes de cruzarse y hasta el momento del cruce (5), comienzan a aumentar y disminuir la derivada de su anchura más de una vez (3), acabando disminuyendo la derivada de su anchura en el momento del cruce (5), para disminuir con este diseño la diafonía y las pérdidas de potencia óptica al atravesar el cruce.

2. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 1, caracterizada porque el ángulo entre las guías (2) que se cruzan es de 90º, siendo el cruce simétrico por cualquiera de sus entradas/salidas.

3. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 1 o 2, caracterizada porque su integración se realiza con tecnología SOI, esto es, en Silicio sobre una base de Oxido de Silicio y un sustrato de Silicio, y porque se usan dimensiones del orden de nanómetros en la anchura y altura de las guías fotónicas.

4. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 3, caracterizada porque las guías (2) fotónicas son rectangulares.

5. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 4, caracterizada porque la anchura de las guías (2) es de 500 nanómetros y la altura de las guías es de 250 nanómetros.

6. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 1 o 2, caracterizada porque su integración se ha realizado en un material distinto al Silicio, y porque se usan dimensiones del orden de nanómetros o micrómetros en la anchura y altura de las guías fotónicas.

7. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicación 6, caracterizada porque las guías (2) fotónicas son rectangulares.

8. Estructura de cruce entre guías fotónicas integradas según reivindicaciones 6 o 7, caracterizada porque su integración se ha realizado en uno de los siguientes materiales:

- Oxido de Silicio,

- Nitruro de Silicio,

- Oxinitruro de Silicio o

- Arseniuro de Galio (GaAs).