BR102014011997B1

BR102014011997B1 - Dispositivo rotacionador e divisor de polarização integrado compatível com fabricação em fotônica integrada

Info

Publication number: BR102014011997B1
Application number: BR102014011997-3A
Authority: BR
Inventors: Alexandre Passos Freitas; Fellipe Grillo Peternella; Bernardo de Barros Correia Kyotoku
Original assignee: Fundacao Cpqd - Centro De Pesquisa E Desenvolvimento Em Telecomunicacoes
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2021-09-14
Also published as: BR102014011997A2

Abstract

rotacionador e divisor de polarização integrado compatível com fabricação em fotônica integrada, qual inicialmente separa as componentes ortogonais de polarização tm e te na entrada, e depois realiza a conversão da componente tm0 para te0. o dispositivo proposto, que apresenta significativas melhoras nas perdas de inserção, é constituído de vários subcomponentes: primeiro a luz propagante passa por um conversor de polarização que é conectado ao divisor de polarização, em seguida é inserida em um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de ?/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2 mmi (multimode interference). uma característica primordial da presente invenção compreende o fato da possibilidade de fabricação em uma estrutura monolítica construída segundo a plataforma silicon-on-insulator ? soi, ou outra plataforma com que apresente um alto contraste de índice de refração entre o guia de onda e o material que o envolve.

Description

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere a um rotacionador e divisor de polarização integrado, que consiste no aprimoramento do componente óptico passivo desenvolvido por Ding (Y. Ding, H. Ou, and C. Peucheret, “Wide-band Polarization Splitter and Rotator with Large Fabrication Tolerance and Simple Fabrication Process” in Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference 2013, 2013, p.OTh4I.2), o qual inicialmente separa as componentes ortogonais de polarização TM e TE na entrada, e depois realiza a conversão da componente TM0 para TE0. O dispositivo proposto, que apresenta significativas melhoras nas perdas de inserção, é constituído de vários subcomponentes: primeiro a luz propagante passa por um conversor de polarização que é conectado ao divisor de polarização, em seguida é inserida em um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de π/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2 MMI (Multimode Interference).

CAMPO DE APLICAÇÃO

[0002] Esta invenção é de grande importância para a área de telecomunicações ópticas, uma vez que formatos avançados de modulação utilizam-se da técnica de diversidade de polarização para aumentarem a taxa de transmissão.

ESTADO DA TÉCNICA

[0003] Tem-se observado um aumento exponencial do tráfego da rede devido ao aumento da demanda da largura da banda. A fim de atender a presente demanda são propostos sistemas ópticos que utilizem sistemas de transmissão com taxas superiores a 100 G/s. Muitos estudos diferentes têm sido propostos para as gerações futuras dos sistemas ópticos de telecomunicações, porém a tecnologia de dispositivos fotônicos construído sobre uma plataforma de silício sobre isolante (silicone-on-insulator, SOI) têm recebido muita atenção devido à sua compatibilidade com a plataforma da tecnologia Semicondutor Metal-Óxido Complementar (CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

[0004] Este processo é considerado confiável, já que esta tecnologia vem sendo desenvolvida ao longo das últimas décadas devido à evolução na área da microeletrônica. Como consequência, vários dispositivos são fabricados como grades de guia de onda (AWG, arrayded Waveguide Grating), ressonadores de anéis (RR, Ring Resonators) e outros. No entanto, estes dispositivos são severamente sensíveis na polarização devido ao alto contraste no índice de refração. Uma solução para resolver estes problemas se baseia no uso de sistemas de diversidade de polarização que consiste em divisores e rotadores de polarização.

[0005] São apresentadas a seguir as patentes e os artigos relevantes que abordam o rotor e divisor de polarização, sendo exposta uma descrição e uma comparação da patente e o artigo com o componente proposto.

[0006] O documento US 2004/01844696 A1 - Cheng-His Miao, and Ying-Moh Liu, “Integrated Variable Optical Power Splitter” possui uma proposição diferente daquela mostrada na presente invenção. Ou seja, este documento anterior compreende um dispositivo que divide a luz em dois feixes com a possibilidade de sintonizar a razão de divisão. Além do mais a razão de divisão é igual para as duas polarizações inseridas no componente.

[0007] Na invenção objeto desta patente, é proposto um componente que separa cada polarização da luz inserida e transforma a saída de uma das polarizações para a polarização ortogonal.

[0008] O documento US 2006/0018204 A1 - Jerry Lee, Sheng, Leng, “Integrated Optical Multiplexer and Demultiplexer” possui função diferente daquela apresentada na presente invenção. Ou seja, este documento anterior compreende um dispositivo que multiplexa e demultiplexa diferentes comprimentos de onda em um único feixe. Do ponto de vista da estrutura do dispositivo, este se baseia em elementos ópticos discretos com propagação em espaço livre.

[0009] Na invenção objeto desta patente, o componente proposto separa cada polarização da luz inserida e transforma a saída de uma das polarizações para a polarização complementar.

[0010] O documento US 2007/0018204 A1 - “Integrated polarization beam splitter and 22.5 degree Faraday rotators combined apparatus” possui a função de dividir um feixe de entrada em dois feixes de saídas com polarizações perpendiculares entre si, depois rodando os referidos feixes 22.5° usando o rotor de Faraday. A diferença em relação ao objeto da presente invenção é que, neste, o feixe de entrada divide-se em dois feixes de saídas com a mesma polarização sem diferença de fase e com a diferença de fase de “ de um em relação a outro. Posteriormente, transforma a saída de uma das polarizações para polarização complementar. Além disso, este dispositivo se baseia em elementos ópticos discretos.

[0011] O documento US 2007/0296977 A1 - Christi Kay Madsen, “Integrated polarization beam splitter with quarter-wave plate for polarimeter and PMD compensation aplications” possui a função de rodar a polarização da luz incidente em 90° através de um guia de onda utilizando na extremidade uma placa de quatro ondas. A diferença da presente invenção é que, nesta, o componente proposto além de rodar a 90° a polarização incidente, divide o feixe de luz incidente em dois guias de onda, ou seja, este dispositivo é totalmente baseado em guias de ondas integrados em um mesmo substrato.

[0012] O paper, Yunhong Ding, Liu Liu, Christophe Peucheret, and Haiyan Ou, “Fabrication tolerent polarization splitter and rotator based on a tapered directional coupler” Optics Express, Vol. 20, Issue 18, PP. 2001-20027 (2012), descreve um dispositivo de função similar à proposta da presente invenção, ou seja, de rotacionar a luz de uma polarização para uma polarização ortogonal, além de separar as polarizações. E foi de fato a inspiração para o desenvolvimento do dispositivo proposto. A principal diferença é que a geometria proposta nesta invenção é compatível com os requisitos que os fornecedores oferecem, ao passo que o dispositivo do paper exige uma capacidade de fabricação que parte dos fornecedores não oferecem.

[0013] O paper, M. Aamer, A.M. Gutierrez, A. Brimont, A Griol, P. Sanchis, “Experimental demonstration of an ultra compact SOI polarization rotator” (2012) 16th European Conference on Integrated Optics, Abstracts, descreve um dispositivo que tem um aspecto similar à proposta da presente invenção, ou seja, esse dispositivo anterior roda a polarização para uma polarização complementar. Diferentemente, o dispositivo da presente invenção divide as polarizações antes de rotacionar uma delas. De certa forma o dispositivo descrito no paper pode ser usado como uma subparte de um componente com a mesma função que se implementou na presente invenção. No entanto, o processo de fabricação do dispositivo do paper é mais exigente do que aquele proposto na invenção. Em particular, não sendo possível de fabricação por grande parte dos fornecedores.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0014] A presente invenção propõe um dispositivo integrado compatível com os padrões de fabricação das principais fábricas de silício para dispositivos fotônicos. Este dispositivo é capaz de preservar a componente TE0 enquanto que converte a componente TM0 em TE0 da luz, além de separá- los em dois guias de onda distintos.

[0015] Com relação às outras patentes do estado da técnica uma das vantagens são as perdas que tem este dispositivo para o caso quando a entrada é o modo TE0, no rotor a perda é 0,2 dB, no splitter a perda é 0,3 dB, no MMI no braço inferior a perda é 0,12 dB, então a perda total seria 0,62 dB.

[0016] Os resultados das perdas para o caso quando a entrada é o modo TM0, no rotor a perda é de 0,6 dB, no splitter a perda é 0,3, no MMI no braço superior é 0,35 dB, então a perda total seria 1,25 dB.

[0017] A presente solicitação de patente de invenção traz uma diferente geometria com respeito ao estado da técnica. A proposta da invenção é realizar um conversor de polarização em um só guia de onda na plataforma SOI com um revestimento de óxido de silício com uma fenda de largura 200 nm. Além disso, o processo de fabricação é compatível com os padrões de fabricação de circuitos integrados fotônicos.

DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO

[0018] O dispositivo proposto nesta invenção trabalha com dois casos distintos. O primeiro caso trata-se de uma conversão do modo TM0 para o modo TE0. Neste caso, primeiramente ocorre uma conversão do modo TM0 para o modo TE1 no conversor de polarização. Depois, a luz é inserida no splitter e divide-se em dois feixes com modos TE0 com uma diferença de fase entre elas de “, em seguida passa por um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2 como é mostrado na FIG. 1(a).

[0019] No segundo caso o modo TEQ não tem conversão quando passa pelo conversor de polarização, depois é inserido no splitter e divide-se em dois feixes com modos TE0 com a mesma fase, em seguida passa por um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2, como mostrado na FIG. 1 (b).

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] A invenção será, a seguir, explicada em seus detalhes técnicos, em termos exemplificativos e não limitativos, sendo que, a título de melhor entendimento, são feitas referências aos desenhos anexos, nos quais estão representadas: FIG. 1(a): mostra que, o modo TM0 converte-se no modo de polarização TE1, depois, a luz é inserida no splitter divide- se em dois feixes com modos TE0 com uma diferença de fase entre elas de ~, em seguida passa por um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2. FIG. 1(b): mostra que o modo TE0 não tem conversão quando passa pelo conversor de polarização e, depois de inserido no splitter, divide-se em dois feixes com modos TE0 com a mesma fase, em seguida passa por um atrasador de fase que introduz uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços para que depois seja conectada ao acoplador 2x2. FIG. 2: mostra o rotacionador de polarização em vista longitudinal. FIG. 3: mostra o rotacionador de polarização segundo a vista transversal indicada pela linha 1. FIG. 4: mostra o splitter de polarização. FIG. 5: cálculo dos índices efetivos para os autovalores dos modos de propagação no rotor com revestimento de óxido de silício. FIG. 6(a) e 6(b): estas mostram os resultados da simulação para a intensidade de luz propagando-se ao longo do guia rotor; pode-se observar que existe uma conversão do modo TM0 para o modo TE1 preservando o modo TE0.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0021] o rotacionador e divisor de polarização integrado compatível com fabricação em fotônica integrada, objeto deste requerimento de Patente de Invenção, compreende um dispositivo capaz de separar duas polarizações ortogonais da luz em dois guias de ondas na saída, ambos os guias de saída apresentam a mesma polarização. Uma característica primordial da presente invenção compreende o fato de a parte do rotor de polarização ser construída segundo a plataforma silicon-on- insulator - SOI.

[0022] O dispositivo objeto desta invenção revela componentes importantes à obtenção do efeito técnico desejado, dentre os quais são destacados rotacionador e divisor de polarização. Rotacionador de Polarização

[0023] A FIG. 1 mostra um diagrama esquemático da estrutura do rotacionador de polarização, sendo que a parte do rotor de polarização foi construída segundo a plataforma SOI; este dispositivo é capaz de preservar a componente TE0 enquanto que converte a componente TM0 em TE0 da luz, além de separá-los em dois guias de ondas distintos. Ainda, neste componente a mudança surge com a conversão do modo TM0 para o modo TE1 preservando o modo TE0 sem conversão.

[0024] O componente do conversor é feito com revestimento de óxido de silício e, para conseguir a máxima conversão de polarização, é feita uma fenda de largura 220 nm no guia. A FIG. 5 mostra o índice efetivo para larguras da fenda desde 0,55 μm a 0,80 μm. Pode-se observar na região de 0,60 μm a 0,70 μm que não é possível distinguir a polarização dos modos porque eles são híbridos.

[0025] As FIGS. 6(a) e 6(b) mostram os resultados de simulação para a intensidade da luz propagando-se ao longo do guia rotor, pode-se observar que existe uma conversão do modo TM0 para o modo TE1 preservando o modo TE0. Splitter

[0026] Considerando que a entrada deste dispositivo seja o modo TE0, a luz se propaga diretamente através do rotor e após ser inserida no splitter, divide-se em dois feixes com modos TE0 com a mesma fase. Por outro lado, caso a entrada do dispositivo seja o modo TM0, este é convertido para o modo TE1 através do rotor, e depois é dividido com o splitter em dois caminhos com os modos TE0 com diferença de fase entre elas de ~. Delay e MMI

[0027] Para gerar uma diferença de fase entre os dois braços do splitter, apenas em um dos guias de onda é adicionado um aumento no caminho óptico, que é capaz de produzir uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços. Posteriormente são injetados no MMI, cuja saída resultante será o modo TE0 em ambas as situações com a diferença de que a luz propagará em guias ópticos distintos.

Claims

1. Dispositivo rotacionador e divisor de polarização integrado compatível com fabricação em fotônica integrada caracterizado pelo fato de que: a parte do rotor de polarização é construída segundo a plataforma de silício sobre isolante; o componente do conversor é feito com revestimento de óxido de silício; o dispositivo sendo capaz de preservar a componente TE0 enquanto converte a componente TM0 em TE0 da luz; e o dispositivo sendo capaz de separar a componente TE0 e a componente TM0 em dois guias de onda distintos.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de realizar uma descontinuidade de simetria que permite a conversão de polarização.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma entrada, sendo que: caso a entrada seja o modo TE0, a luz se propaga diretamente através do rotor e após ser inserida no splitter, divide-se em dois feixes com modos TE0 com a mesma fase; e caso a entrada seja o modo TM0, este é convertido para o modo TE1 através do rotor, e depois é dividido com o splitter em dois caminhos com os modos TE0 com diferença de fase entre elas de “.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: para a geração de uma diferença de fase entre os dois braços do splitter, apenas em um dos guias de onda é adicionado um aumento no caminho óptico, que é capaz de produzir uma diferença de fase de “/2 entre os dois braços; e posteriormente, são injetados no MMI, cuja saída resultante será o modo TE0 em ambas as situações com a diferença de que a luz propagará em guias ópticos distintos.