Dispositivo acoplador de guías de onda, y método de diseño de dicho dispositivo.

Permite aumentar el ancho de banda del dispositivo, sin que ello suponga un aumento de sus dimensiones, y sin que su repuesta en fase se degrade. El dispositivo acoplador (1) destaca por presentar en su zona de acoplamiento (30) al menos red (31) con un periodo ({lm}) tal que garantice que no se producen fenómenos de difracción, estando dicha red (31) configurada para modificar la variación de las constantes de propagación ({be,1}, {be,2}) de los modos de primer y segundo orden ({hi,1}, {hi,2}) de la zona de acoplamiento (30) respecto a la longitud de onda, de manera que se reduce la variación de la longitud de batido (L{pi}) con la longitud de onda, aumentando así el ancho de banda del dispositivo acoplador (1).

Dispositivo acoplador de guías de onda, y método de diseño de dicho dispositivo.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las telecomunicaciones y la óptica integrada, y más concretamente a dispositivos acopladores de luz entre guías de onda.

El objeto principal de la presente invención es un dispositivo acoplador de guías de onda, que destaca por presentar un ancho de banda considerable, sin que ello suponga un sobredimensionamiento del dispositivo, y sin que ello afecte negativamente a su respuesta en fase. Asimismo, es otro objeto de la invención el método de diseño de dicho dispositivo acoplador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad son conocidos los dispositivos de acoplo o dispositivos acopladores de guías de onda, los cuales constituyen los elementos fundamentales en circuitos fotónicos integrados (PIC) . Dichos dispositivos cumplen entre otras las funciones de dividir o combinar potencia entre dichas guías e imponer desfases específicos entre las ondas acopladas a cada guía de onda. Dichos acopladores de guías de onda se usan, entre otras aplicaciones, en demultiplexadores de longitud onda, conmutadores, receptores coherentes y biosensores.

Más en particular, en óptica integrada se usan generalmente dos tipos de acopladores: acopladores direccionales (AD) y acopladores de interferencia multi-modal (MMI) . Los primeros tienen las ventajas de un diseño sencillo y de ratios de división arbitrarios, mientras que los segundos ofrecen generalmente mejores tolerancias de fabricación y un mayor ancho de banda.

Respecto a los acopladores direccionales (AD) , su funcionamiento se basa esencialmente en colocar dos guías de ondas lo suficientemente juntas como para que las ondas luminosas que viajan por ellas interactúen, y así se transfiera potencia de una guía de onda a la otra, ver figura 1. En general este proceso es dependiente de la polarización de la onda luminosa; en adelante nos centraremos, sin pérdida de generalidad, en una polarización específica, como por ejemplo polarización horizontal (cuasi-TE) , o vertical (cuasi-TM) .

El proceso de acoplamiento entre guías de onda puede describirse en términos de los modos de primer y segundo orden (c1, c2) de dos guías acopladas, y sus respectivas constantes de propagación (º1, º2) . Se entiende por “modos” aquellas distribuciones de campo que al propagarse por una guía de onda no modifican su forma. El campo de entrada (cin) excita los modos (c1, c2) en la región central de acoplo o zona de acoplamiento (ZAAD) , y debido a la diferencia entre sus constantes de propagación (º1 y º2) la potencia luminosa se transfiere de una guía a la otra. Dicha transferencia de potencia luminosa es máxima a la longitud de batido (LI) de los supermodos:

LI = I / (º1 – º2)

La longitud de batido (LI) indica la distancia que debe recorrer un haz de luz para que sea totalmente transferido de una guía de onda a otra guía de onda. Sin embargo, esta longitud de batido (LI) varía con la longitud de onda de dicho haz luminoso, de manera que el ancho de banda en el acoplador está limitado.

Actualmente, se han propuesto varias técnicas para mejorar el ancho de banda de los dispositivos acopladores direccionales (AD) . Una de ellas consiste en conectar varios acopladores en un interferómetro “Mach-Zehnder”, de manera que sus respuestas se compensen (B. Little et al, “Design rules for maximally flat wavelength-insensitive optical power dividers using Mach–Zehnder structures”, 1997) . Sin embargo esta técnica presenta el inconveniente de que aumenta considerablemente el tamaño del dispositivo, con los problemas y costes asociados que ello conlleva.

Por otra parte, en dispositivos acopladores basados en la conversión adiabática de modos, el ancho de banda se mejora usando formas específicas de variación gradual de la geometría de las guías de ondas en la región de acoplo. Sin embargo, esta técnica lleva ligada igualmente un aumento considerablemente del tamaño del dispositivo (Y. Shani et al “Integrated optic adiabatic devices on silicon, ” 1991) .

Por último, se sabe que curvando el acoplador completo se puede incrementar su ancho de banda, pero esta técnica presenta el inconveniente de que degrada la respuesta en fase del dispositivo (C. Doerr et al, “Bending of a planar lightwave circuit 2×2 coupler to desensitize it to wavelength, polarization, and fabrication changes, ” 2005) .

Respecto a los acopladores de interferencia multimodal (MMI) , éstos constan de varias guías de ondas de entrada y salida

y una zona de acoplamiento (ZAMMI) , que guía varios modos (c1, c2, c3, …) , tal y como se representa en la figura 2. Dichos acopladores de interferencia multimodal (MMI) presentan generalmente un comportamiento dependiente de la polarización; en lo que sigue nos centraremos sin pérdida de generalidad en un estado de polarización específico, por ejemplo una polarización horizontal (cuasi-TE) o vertical (cuasi-TM) .

Un rayo de luz es lanzado en una de las guías de onda de entrada y excita varios modos (c1, c2, c3, …) en la zona de acoplamiento (ZAMMI) , los cuales se propagan con diferentes constantes de propagación (º 1, º2, 3, …) . A unas determinadas distancias desde el plano de entrada, los modos (c1, c2, c3, …) interfieren formando una o varias imágenes de la excitación de entrada. Las guías de onda de salida se colocan en la posición de estas imágenes, de manera que la luz se acopla a ellas. La distancia a la que se forman las imágenes depende en esencia de la longitud de batido (LI) de los modos de primer y segundo orden (c1, c2) de la zona de acoplamiento: LI=I/ ( º1–º 2) .

Además, para que se formen imágenes de alta calidad las constantes de propagación (º m) de los modos de la zona de acoplamiento tienen que seguir la ley parabólica:

m = º1 - (m2-1) I / (3LI)

Los acopladores de interferencia multimodal (MMI) tienen un ancho de banda mayor que los acopladores direccionales (AD) , pero dicho ancho de banda sigue estando limitado por la variación de la longitud de batido (LI) con la longitud de onda. De hecho, el ancho de banda de los acopladores de interferencia multimodal (MMI) disminuye conforme se aumenta el número de entradas y/o salidas (P. Besse et al, “Optical bandwidth and fabrication tolerances of multimode interference couplers”, 1994) .

Por tanto, el problema técnico que aquí se plantea es conseguir un dispositivo acoplador de guías de ondas que ofrezca un ancho de banda lo más grande posible, sin que ello tenga como consecuencia una ampliación de sus dimensiones, y sin que su respuesta en fase se vea afectada.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Mediante la presente invención se resuelve el problema técnico anteriormente planteado proporcionando un dispositivo acoplador de guías de onda que presenta un aumento considerable de su ancho de banda con respecto a los dispositivos actuales, sin que ello suponga un aumento del tamaño del dispositivo, y sin que su repuesta en fase se vea degradada.

El dispositivo acoplador objeto de invención es del tipo que comprende al menos una guía de onda de entrada en la cual está destinado a inyectarse un haz luminoso, al menos una guía de onda de salida, y una zona de acoplamiento localizada entre dichas guías de onda de entrada y salida, estando dicha zona de acoplamiento configurada para acoplar el haz luminoso de la guía de onda de entrada a la guía de onda de salida.

Más concretamente, el dispositivo acoplador destaca fundamentalmente por presentar en la zona de acoplamiento al menos una red constituida por un sustrato, un núcleo y un revestimiento, presentando dicha red un periodo inferior a la mitad de la longitud de onda menor del rango de operación del dispositivo acoplador (se entiende que cada dispositivo acoplador trabaja para un determinado rango de longitudes de onda) , dividida entre el menor de los índices de refracción del sustrato, el núcleo y el revestimiento de la red, y que garantice que no se producen fenómenos de difracción (la radiación y reflexión son despreciables a efecto prácticos) . De aquí en adelante una red de estas características se denominará simplemente red. Los modos que soportan estas redes tienen distribuciones de campo periódicas y se denominan...

1. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, que comprende:

- al menos una guía de onda de entrada (10a, 10b) en la cual está destinado a inyectarse un haz luminoso,

- al menos una guía de onda de salida (20a, 20b, 20c, 20d) , y

- una zona de acoplamiento (30) localizada entre dichas guías de ondas de entrada y salida (10a, 10b, 20a, 20b, 20c, 20d) , y que está configurada para acoplar el haz luminoso de la guía de onda de entrada (10a, 10b) a la guía de onda de salida (20a, 20b, 20c, 20d) ,

caracterizado porque la zona de acoplamiento (30) comprende al menos una red (31) constituida por un sustrato (2) , un núcleo (3) y un revestimiento (4) , presentando dicha red (31) un periodo (/) inferior a la mitad de la longitud de onda menor del rango de operación del dispositivo acoplador (1) , dividida entre el menor de los índices de refracción del sustrato (2) , el núcleo (3) y el revestimiento (3) de la red (31) , y que garantice que no se producen fenómenos de difracción, estando dicha red (31) configurada para modificar la variación de las constantes de propagación (º 1, º2) de los modos de primer y segundo orden (c1, c2) de la zona de acoplamiento (30) respecto a la longitud de onda, de manera que se reduce la variación de la longitud de batido (LI) con la longitud de onda, aumentando así el ancho de banda del dispositivo acoplador (1) .

2. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la red (31) comprende una guía de onda segmentada cuyos elementos se disponen de forma periódica, perpendicularmente a la dirección de propagación del haz luminoso, y con un periodo (/) inferior al periodo de Bragg de primer orden.

3. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las guías de ondas de entrada y salida (10a, 10b, 20a, 20b, 20c, 20d) son guías de ondas uniformes.

4. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las guías de ondas de entrada y salida (10a, 10b, 20a, 20b, 20c, 20d) comprenden redes (31) .

5. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende adicionalmente al menos dos guías de ondas uniformes en la zona de acoplamiento (30) , estando la red (31) configurada para modificar la variación de las constantes de propagación ( 1, º2) de los modos de primer y segundo orden (c1, c2) en la zona de acoplamiento (30) en función de la longitud de onda, de manera que se reduce la variación de la longitud de batido (LI) con la longitud de onda, trabajando el dispositivo acoplador (1) como un acoplador direccional, con un ratio de división predefinido.

6. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la red (31) está dispuesta esencialmente perpendicular a las guías de onda uniformes.

7. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la red (31) presenta un ciclo de trabajo (DC) y una extensión lateral (t) configurados para reducir la excitación del modo de tercer orden (c3) que produce una transferencia de potencia indeseada entre las guías de ondas uniformes.

8. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la red (31) está adaptada para soportar al menos dos modos (c1, c2) guiados de la misma polarización (cuasi-TE o cuasi-TM) , estando la red (31) configurada para modificar la variación con la longitud de onda de las constantes de propagación (º 1, º2) de los modos (c1, c2) en la zona de acoplamiento (30) de manera que se reduce la variación de la longitud de batido (LI) con la longitud de onda, trabajando el dispositivo acoplador (1) como un acoplador de interferencia multimodal.

9. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la red (31) está dispuesta esencialmente perpendicular a las guías de onda de entrada (10a, 10b) y las guías de onda de salida (20a, 20b, 20c, 20d) .

10. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 u 8, caracterizado porque comprende dos guías de onda de entrada (10a, 10b) y dos guías de onda de salida (20a, 20b) , y donde el desfase entre los haces luminosos en las guías de onda de salida (20a, 20b) es aproximadamente 90º.

11. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque comprende dos guías de onda de entrada (20a, 20b) y cuatro guías de onda de salida (20a, 20b, 20c, 20d) , y donde los desfases diferenciales con los que los haces luminosos procedentes de las guías de onda de entrada (10a, 10b) se combinan en las guías de onda de salida (20a, 20b, 20c, 20d) es aproximadamente de 90º, entre los pares de guías de onda de salida (20a-20b.

20. 20d.

20. 20c) .

12. Dispositivo acoplador (1) de guías de onda, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la red (31) está configurada para reducir la variación de la longitud de batido (LI) respecto a la longitud de onda tanto para polarizaciones horizontales cuasi-TE como para polarizaciones verticales cuasi-TM, y donde la longitud (L) de la zona de acoplamiento

(30) es un múltiplo par de la longitud de batido (LI) para el haz luminoso con polarización cuasi-TE, y un múltiplo impar de la longitud de batido (LI) para el haz luminoso con polarización cuasi-TM, o viceversa, trabajando el dispositivo acoplador

(1) como un separador de polarización de banda ancha.

13. Método de diseño del dispositivo acoplador (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

a) se parte de una guía de onda donde se definen sus parámetros y materiales de diseño para el sustrato (2) , el núcleo (3) y el revestimiento (4) , b) se ajusta el periodo (/) de la red a un valor ligeramente inferior al periodo de Bragg de primer orden' de manera que no se produzcan fenómenos de difracción, c) se determina, por simulación, la variación de las constantes de propagación (º 1, º2) de los modos de primer y segundo orden (c1, c2) de la zona de acoplamiento (30) ,

d) se comprueba si la variación de la longitud de batido (LI) con respecto a la longitud de onda se ha reducido,

e1) si en la etapa d) se ha conseguido reducir la variación de la longitud de batido (LI) se ajusta de nuevo el periodo (/) de la red (31) reduciendolo ligeramente, e2) si en la etapa e) no se ha conseguido reducir la longitud de batido (LI) se escoge el valor del periodo (/) para el que se había conseguido reducir dicha longitud de batido (LI) , y f) se diseña el dispositivo acoplador (1) completo para el valor del periodo ( /) de la etapa e2) ' para el cual se obtiene un aumento máximo de su ancho de banda.

14. Método de diseño de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque los parámetros ajustados en la fase a) es al menos uno seleccionado entre:

- periodo (/) '

- ciclo de trabajo (DC) ,

- hueco (g) ,

- grosor (H) ,

- profundidad de grabado (D) ,

- anchura (W) ,

- distancia (s) , y

- extensión lateral (t) .

15. Método de diseño de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado porque en la fase a) se parte de una red (1) que comprende un sustrato (2) de dióxido de silicio, un núcleo (3) de silicio, y un revestimiento

(4) de polímero SU-8.

OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPANA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G02B6/34 (2006.01)

21 N.O solicitud: 201230280 22 Fecha de presentación de la solicitud: 23.02.2012 32 Fecha de prioridad:

DOCUMENTOS RELEVANTES

57. 580. XP011326458 ISSN 1077-260X. Categoria de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado despues de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nO: Fecha de realización del informe 16.03.2012 Examinador J. Botella Maldonado Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TºCNICA

NO de solicitud: 201230280

Documentación minima buscada (sistema de clasificación seguido de los simbolos de clasificación) G02B Bases de datos electrónicas consultadas durante la bºsºueda (nombre de la base de datos y, si es posible, terminos de

bºsºueda utiliºados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, XPESP, XPAIP, XPI3E, INSPEC.

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OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 201230280

Fecha de Realiºación de la Opinión Escrita: 16.03.2012

Declaración

Se considera ºue la solicitud cumple con el reºuisito de aplicación industrial. Este reºuisito fue evaluado durante la fase de examen formal y tecnico de la solicitud (Articulo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realiºado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

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OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 201230280

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionanlos documentos pertenecientes al estado de la tecnica tomados en consideración para la realiºación de esta opinión.

57. 580. XP011326458 ISSN 1077-260X.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

El documento D01 presenta un acoplador interferencial multimodo con estructuras de rejilla sub-longitud de onda en las

ºonas de revestimiento lateral para reducir el contraste de indice de refracción. El documento D02 hace un recorrido por el trabajo de los autores sobre transiciones, basadas en estructuras de rejilla, entre CI de fotónica en silicio y fibras ópticas monomodo. Ambos documentos son sólo indicativos del estado de la tecnica y no documentos significativos ºue pudieran afectar a la novedad o actividad inventiva del objeto de la invención. Por tantoen opinión del tecnico ºue subscribe esteinforme, la invención tal como se reivindica en las reivindicaciones de la 1a a la 15a es nueva e implica actividad inventiva.

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