GUÍA DE ONDAS ÓPTICA.

Circuito óptico integrado que comprende una guía de ondas de tipo cresta (61) que tiene una parte de base (612) y una cresta (611) y una guía de ondas en banda y una guía de ondas de conversión entre ellas,

estando las guías de ondas dispuestas sobre una superficie plana y teniendo una sección central que propaga la luz en cierta dirección de propagación, caracterizado porque la sección central de la guía de ondas de conversión está hecha de uno y mismo material y la sección transversal de la sección central transversal a la dirección de propagación (z) de la luz tiene dos escalones (6; 61a, 62a; 61b, 62b) en ambos lados (60a, 60b), y en cuya guía de ondas de conversión hay dos capas (601, 602) de diferentes anchuras (I60a, I60b), siendo la altura (h60a) de la primera capa (601) igual a la altura de la cresta (611) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y siendo la altura (h60b) de la segunda capa (602) igual a la altura de la parte de base (612) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y en la que la suma de las alturas (h60a, h60b) de las capas (601, 602) es igual a la altura de la guía de onda en banda (62), estando la anchuras de las dos capas (601, 602) dispuestas para cambiar de forma uniforme entre las guías de ondas que se conectarán para encajarlas juntas lateralmente

La invención se refiere a un circuito óptico integrado según el preámbulo de la reivindicación 1.

La invención también se refiere a un procedimiento para fabricar un circuito óptico integrado según el preámbulo de la reivindicación 5.

Un circuito integrado está constituido por un conjunto de elementos, dispositivos y/o conexiones externas de circuito óptico, que están conectados de forma fija entre sí mediante guías de onda ópticas y que están dispuestos sobre un sustrato común. Por ejemplo, fuentes y detectores de luz, divisores de potencia, interruptores, multiplexores y desmultiplexores de longitud de onda, y conexiones de fibra pueden ser elementos de circuito. Estos han sido fabricados mediante el mismo o un procedimiento diferente que las guías de ondas ópticas que los conectan.

En lo sucesivo, la guía de ondas se refiere a una estructura tridimensional dispuesta sobre un sustrato plano que transfiere la luz desde un plano a otro en un circuito integrado. La dirección de la guía de ondas en el plano del sustrato puede ser constante, o puede cambiar de una manera que se curva lentamente o girando bruscamente. La sección transversal de la guía de ondas puede ser constante, o puede cambiar lenta o súbitamente. A menudo hay varias de dichas secciones de guía de ondas diferentes secuencialmente. El material básico del sustrato es, por ejemplo, silicio, compuesto semiconductor o vidrio. El material de la guía de ondas puede ser, por ejemplo, silicio, compuesto semiconductor, vidrio o una sustancia orgánica.

La guía de ondas tiene cierta distribución tridimensional del índice de refracción n(x, y, z) que, junto con la atenuación del material, determina cómo la luz con cierta longitud de onda  viaja en la guía de ondas y cuáles son sus pérdidas de propagación. La longitud de onda  usada de luz, generalmente radiación óptica, se extiende desde la luz visible a cerca del infrarrojo.

La sección transversal de la guía de ondas está en un plano perpendicular a la dirección de la propagación de la luz, es decir el eje z o la dirección z. La sección transversal de una guía de ondas recta es constante, y su distribución del índice de refracción n(x, y) es sustancialmente bidimensional. En base a la sección transversal, el número de modos de propagación diferenciados en una guía de ondas recta, los índices efectivos y las distribuciones de campo transversales pueden calcularse de forma teórica. Los cálculos se realizan habitualmente de forma numérica, ya que generalmente no hay disponible ninguna solución analítica. El índice efectivo describe la velocidad de la luz acoplada al modo a lo largo de la guía de ondas, ya que el índice de refracción del material describe la velocidad de una onda plana óptica en él. Los modos pueden dividirse generalmente en dos grupos según su polarización, cuya diferencia depende de la asimetría de la guía de ondas y/o la birrefringencia de los materiales. Para simplificar la descripción, a continuación solamente se examinan modos del llamado tipo TE (eléctrico cuasi-transversal), pero todos los principios también se aplican a otros modos de polarización, tales como modos del tipo TM (magnético cuasi-transversal).

Un caso especial de una guía de ondas recta es una llamada guía de ondas en placa, que no ha sido modelada en la dirección horizontal, es decir la dirección x a lo largo de la superficie del sustrato. La distribución del índice de refracción n(y) de la guía de ondas en placa es sustancialmente unidimensional, y corresponde a una guía de ondas recta infinitamente ancha o estrecha. El número de modos de propagación diferenciados, índices efectivos y distribuciones de campo verticales puede calcularse para la guía de ondas en placa con el mismo principio que para guías de onda finitamente anchas, pero de forma más sencilla.

La propagación de modos en una guía de ondas recta se basa en la reflexión interna total de luz entre el área central de la guía de ondas y las áreas que la rodean en dirección tanto horizontal como vertical. Esto requiere que el índice de refracción del área central sea mayor que el índice de refracción de los materiales que la rodean. Cuando se trata de una guía de ondas de tipo cresta o una estructura similar, una llamada diferencia de índice efectivo puede sustituir a la diferencia de índice de refracción de los materiales en cualquier dirección. En la práctica, la absorción del material y la dispersión a partir de interfaces de material no ideales también influyen en la propagación. Además de los modos de propagación, un número infinito de los llamados modos de radiación, que no se basan en la reflexión interna total, puede calcularse para una guía de ondas recta. Una distribución de campo óptico arbitraria acoplada a una guía de ondas recta puede presentarse de forma inequívoca como una suma ponderada de modos de propagación y de radiación. La potencia conectada a los modos de radiación irradia gradualmente alejándose de la guía de ondas.

Aquellas diferentes a las guías de onda rectas generalmente no tienen modos de propagación que tienen distribuciones de potencia transversales y ninguna radiación continua de potencia lejos del área central. Sobre la base de la simetría del cilindro, pueden calcularse modos diferenciados con propagación curvilínea para guías de ondas con un radio de curvatura constante, pero las distribuciones de campo que se atenúan de forma finita de todas las guías de onda curvadas irradian potencia en la dirección de la curva externa (véanse las publicaciones de referencia 1, 2). También el funcionamiento de otras guías de onda, además de las rectas, puede presentarse con ayuda de modos, pero para ellas el número y los índices efectivos de los modos, las distribuciones de campo de los modos y/o las proporciones de potencia de los modos pueden cambiar. A medida que la sección transversal cambia o la dirección de la guía de ondas cambia, la potencia óptica habitualmente se acopla entre modos. Sin embargo, en las llamadas estructuras de guía de ondas adiabáticas, que cambian de forma suficientemente lenta en la dirección de propagación, la potencia no se transfiere nunca de un modo a otro, sino que la potencia permanece en el mismo modo de guía de ondas que lentamente cambia su distribución de campo.

Se pretende que la sección transversal de una guía de ondas recta se disponga de modo que permita, al menos, que el llamado modo fundamental, cuyo número de modo m es 0, se propague en la guía de ondas y, de la forma más preferente, con pérdidas lo más pequeñas posible. Una guía de ondas con solamente un modo de propagación (m = 0) se denomina una guía de ondas de modo único (SM). Una guía de ondas con más de un modo de propagación (los números de modo m = 0, 1, 2,...) se denomina una guía de ondas de modo múltiple (MM). En una guía de ondas de modo múltiple, la potencia no se transfiere necesariamente desde el modo fundamental a modos superiores. Una conexión de guía de ondas de modo único puede estar constituida, por ejemplo, por secciones de guía de ondas de modo único y secciones de guía de ondas de modo múltiple, pero adiabática entre ellas (publicación de referencia 2). Especialmente en tecnología de telecomunicaciones, los circuitos ópticos integrados generalmente tienen que ser de modo único, cuando se examinan de forma externa. Los elementos de circuitos ópticos integrados más complejos (divisores de potencia, etc.) a menudo están constituidos por estructuras de guía de ondas de modo múltiple, incluso en sistema de modo único.

Una guía de ondas recta 1; 4, que se dispone sobre un sustrato plano 2, es conocida de antes y se ilustra en las Figuras 1 y 2. La guía de ondas tiene una nervadura 11; 41 modelada en el material central y que propaga la luz en cierta dirección lineal. No se requiere necesariamente que las paredes laterales de la nervadura sean verticales, sino que también pueden ser, por ejemplo, oblicuas o redondeadas. Entre la nervadura y el sustrato hay una o varias capas de material. En consecuencia, una o varias capas de material 3 pueden estar en los lados de la nervadura. Las capas de material pueden ser de material sólido, líquido o gaseoso. Sin embargo, la distribución del índice de refracción de la sección transversal de la guía de ondas es siempre tal que permite al menos un modo de propagación. Solamente aquellas capas y áreas de material, a las que se extiende la distribución de potencia óptica de al menos un modo de propagación, se incluyen generalmente en la estructura de guía de ondas teórica,... [Seguir leyendo]

1. Circuito óptico integrado que comprende una guía de ondas de tipo cresta (61) que tiene una parte de base (612) y una cresta (611) y una guía de ondas en banda y una guía de ondas de conversión entre ellas, estando las guías de ondas dispuestas sobre una superficie plana y teniendo una sección central que propaga la luz en cierta dirección de propagación, caracterizado porque la sección central de la guía de ondas de conversión está hecha de uno y mismo material y la sección transversal de la sección central transversal a la dirección de propagación (z) de la luz tiene dos escalones (6; 61a, 62a; 61b, 62b) en ambos lados (60a, 60b), y en cuya guía de ondas de conversión hay dos capas (601, 602) de diferentes anchuras (I60a, I60b), siendo la altura (h60a) de la primera capa (601) igual a la altura de la cresta (611) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y siendo la altura (h60b) de la segunda capa (602) igual a la altura de la parte de base (612) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y en la que la suma de las alturas (h60a, h60b) de las capas (601, 602) es igual a la altura de la guía de onda en banda (62), estando la anchuras de las dos capas (601, 602) dispuestas para cambiar de forma uniforme entre las guías de ondas que se conectarán para encajarlas juntas lateralmente.

2. Circuito óptico integrado según la reivindicación 1, caracterizado porque la guía de ondas (60) está hecha de material semiconductor, especialmente silicio.

3. Circuito óptico integrado según la reivindicación 2, caracterizado porque la guía de ondas (60) está realizada sobre un sustrato SOI.

4. Circuito óptico integrado según la reivindicación 1, caracterizado porque las anchuras (I60a, I60b) de las capas (601, 602) de la guía de ondas (60) se disponen para cambiar linealmente entre la cresta de la guía de ondas de tipo cresta (61) y la sección central rectangular de la guía de onda en banda (62) de diferentes anchuras para conectarlas juntas con ayuda de la guía de ondas (60).

5. Procedimiento de fabricación de un circuito óptico integrado que comprende una guía de ondas de tipo cresta y una guía de ondas en banda y una guía de ondas de conversión fabricada entre ellas, estando las guías de ondas fabricadas sobre un sustrato plano (7), que tiene una capa central que propaga la luz (7c), caracterizado porque la capa central (7c) se adelgaza de forma controlable en dos fases para formas dos escalones diferentes a ambos lados de la guía de ondas de conversión, de modo que se utilizan diferentes patrones de proceso en ambas fases de adelgazamiento, cuyos bordes determinan la ubicación de los bordes de los escalones de la guía de ondas sobre el sustrato, de modo que el resultado obtenido es una estructura de guía de ondas, que tiene dos escalones (6; 61a, 62a; 61b, 62b) en ambos lados (60a, 60b) transversales a la dirección de propagación de la luz, en la cual la guía de ondas de conversión (60) está provista de dos capas (601, 602) de diferentes anchuras (I60a, I60b) de modo que la altura (h60a) de la primera capa (601) se dispone para ser igual que la altura de la cresta (611) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y la altura (h60b) de la segunda capa (602) se dispone para ser igual a la altura de la parte de base

(612) de la guía de ondas de tipo cresta (61), y en la que la suma de las alturas (h60a, h60b) de las capas (601, 602) se dispone para ser igual a la altura de la guía de onda en banda (62), y las anchuras de las dos capas (601, 602) se disponen para cambiar de manera uniforme entre las guías de ondas (61, 62) a conectar para encajarlas juntas en la dirección lateral.

6. Procedimiento de fabricación de un circuito óptico integrado según la reivindicación 5, caracterizado porque la guía de ondas (5) se fabrica sobre un sustrato acabado adecuado (7), tal como una oblea SOI o similar.

7. Procedimiento de fabricación de un circuito óptico integrado según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque se usa en él una capa de máscara dura común (9; 91) para proporcionar al menos dos patrones de proceso diferentes a la capa central (7c) del sustrato.