ES2274293T3 - Divisor optico 2 por n, de optica integrada. - Google Patents
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Abstract
Divisor 2 por n en óptica integrada, siendo n un número entero superior o igual a 2, que incluye, en un substrato, al menos un elemento (15) divisor óptico 2 por 2, comprendiendo este elemento una primera y una segunda guías (G1, G2) de anchuras W1 y W2 respectivamente, capacitadas para dividir una onda luminosa (E) de entrada introducida en una de las guías, en una primera y una segunda ondas (S1, S2) de salida transportadas respectivamente por la primera y la segunda guías; presentando respectivamente estas primera y segunda guías al menos tres partes: - una primera parte (I), de un primer tipo de acoplamiento, en la que la primera y la segunda guías se aproximan progresivamente hasta una distancia Dc que no es nula, pero inferior a una distancia Ds de umbral correspondiente a la distancia mínima a partir de la cual la onda luminosa de entrada introducida en una de las guías es susceptible de ser acoplada, al menos en parte, con la otra guía, - una segunda parte (II), de un segundo tipo de acoplamiento, de longitud Lc, denominada de acoplamiento, en la que las citadas guías son sensiblemente paralelas entre sí y distan el valor Dc, - y una tercera parte (III), de un primer tipo de acoplamiento, en la que las guías se separan progresivamente del valor Dc para alcanzar una distancia de valor superior a Ds, estando los valores Dc, Lc, W1 y W2 elegidos de modo que se obtenga un elemento divisor acromático a las longitudes de onda de funcionamiento del divisor, estando los valores Dc y Lc elegidos de modo que el primer tipo de acoplamiento y el segundo tipo de acoplamiento varían inversamente con las citadas longitudes de onda, que se caracteriza porque: el elemento divisor 2 por 2 que funciona en las ventanas espectrales de 1260-1360 nm y 1480-1660 nm y que presenta una relación de división CR igual a 0,5, se elige de modo que las anchuras W1 y W2 van desde 1,6 mum a Wc, la distancia Dc va desde 0,6 a 2,6 mum, y la longitud Lc va desde 0 a 450 mum, siendo Wc la anchura máximapara la que las guías son monomodos para las citadas ventanas espectrales.
Description
Divisor óptico 2 por n, de óptica integrada.
La presente invención se refiere a un divisor
óptico 2 por n, de óptica integrada. La misma se refiere, de manera
más precisa, a un divisor óptico que presenta pérdidas de exceso y
un acromatismo satisfactorios para las aplicaciones previstas y en
particular para aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones
ópticas, especialmente en las ventanas espectrales de
1260-1360 nm y 1480-1660 nm.
Se entiende, para un elemento divisor de 2 por
2, por pérdidas de exceso y por cromatismo satisfactorios, las
pérdidas de exceso inferiores a 0,2 dB (especialmente para el
conjunto de ventanas espectrales de 1260-1360 nm y
1480-1660 nm) y un acromatismo inferior a 0,5 dB
(para el conjunto de estas mismas ventanas).
La invención se aplica a todos los campos que
necesitan una función óptica 2 por n, y más en particular a los
sectores de las telecomunicaciones.
Un divisor óptico de 2 por n (siendo n un número
entero superior o igual a 2), está compuesto por al menos un
elemento divisor óptico que incluye 2 entradas y 2 salidas que
permiten dividir una onda luminosa inyectada en una de las entradas
en 2 partes, repartidas según una relación de división predefinida
en cada una de las salidas.
Cuando n es superior a 2, el divisor óptico
incluye varios elementos divisores dispuestos en cascada con el fin
de presentar 2 entradas y n salidas, y permitir la repartición de
una onda luminosa inyectada en una de las 2 entradas, en las n
salidas de acuerdo con una relación de división predefinida para
cada una de las salidas.
Un divisor de 2 por 2 convencional se encuentra
descrito, por ejemplo, en la Patente US 5.835.651.
La Figura 1 representa esquemáticamente un
divisor 2 por 2, convencional de ese tipo, realizado en óptica
integrada, en un plano XY del substrato que contiene al citado
divisor.
En esta Figura, el substrato en el que se ha
realizado el divisor no ha sido representado. Solamente se ha
ilustrado una primera y una segunda guía-ondas 1 y 3
monomodos de entrada, una primera y una segunda
guía-ondas 5 y 7 monomodos de salida, y una
guía-ondas 9 bimodo de longitud La según el eje X, y
de anchura Wa según el eje Y, que conecta las
guía-ondas de entrada y las
guía-ondas de salida. Las guías de entrada y de
salida se encuentran conectadas respectivamente a la guía bimodo,
con un ángulo \beta respecto al eje X.
Con este divisor, una onda luminosa Ea inyectada
en las guías monomodos de entrada, por ejemplo en la guía 1, se
propaga por ésta en dirección a la guía 9 bimodo aproximándose a la
segunda guía 3 de entrada, estableciendo así con esta última un
acoplamiento de proximidad. Este acoplamiento de proximidad es más
importante para las longitudes de onda altas (tales como las
longitudes de onda comprendidas en la banda espectral de
1480-1660 nm), que para las longitudes de onda
bajas (tales como las longitudes de onda comprendidas en la banda
espectral de 1260-1360 nm).
A continuación, en el extremo de las guías 1, 3
monomodos de entrada, la onda luminosa se acopla a los dos modos de
la guía 9 bimodo. El acoplamiento entre estos dos modos en el
transcurso de la propagación en la guía bimodo, tiene un
comportamiento espectral contrario al experimentado en las guías
monomodos, es decir, un acoplamiento más débil para las longitudes
de onda altas (1480-1660 nm) que para las longitudes
de onda bajas (1260-1360 nm).
Por último, a la salida de la guía 9 bimodo, la
onda luminosa se acopla con una cierta repartición en las dos guías
5, 7 monomodos de salida. La onda luminosa experimenta entonces de
nuevo el acoplamiento de proximidad, y esto hasta que las guías
monomodos estén separadas por una distancia H tal que la onda
luminosa que se propaga por cada una de las guías monomodos, no vea
ya la otra guía.
Se obtiene así una onda luminosa Ea repartida en
dos ondas luminosas S1a, S2a en las dos guías monomodos 5, 7 de
salida.
La componente espectral en las guías monomodos
de entrada y de salida, que es contraria al comportamiento
espectral en la guía bimodo, permite para valores de \beta, de Wa
y de La bien elegidos, obtener un divisor 2 por 2 acromático. Un
valor bajo de \beta permite además limitar las pérdidas de
exceso.
Aunque satisfactorio en ciertos aspectos, en
este divisor 2 por 2, la onda luminosa experimenta una
discontinuidad en cada uno de los extremos de la guía bimodo
conectados a las guías monomodos que crean pérdidas de desadaptación
entre los modos de guía bimodo y los modos de guía monomodos, así
como pérdidas de reflexión. Estas pérdidas de desadaptación y de
reflexión son particularmente molestas para aplicaciones en el
sector de las telecomunicaciones ópticas.
Por otra parte, según se ha visto en lo que
antecede, las pérdidas de exceso y el acromatismo, dependen de
\beta; para reducir el cromatismo, \beta debe aumentar, mientras
que para reducir las pérdidas de exceso, \beta debe disminuir.
Este comportamiento del divisor hace que resulte difícil la
realización del divisor 2 por 2 de manera que presente a la vez un
buen acromatismo y bajas pérdidas de exceso.
A. Takagi et al., en "Wavelength
characteristics of (2X2) optical channel-type
directional couplers with symmetric or nonsymmetric coupling
structures" ("Características de longitud de onda de
acopladores direccionales de tipo canal óptico (2X2) con
estructuras de acoplamiento simétricas o no simétricas"), Journal
of Lightwave Technology, IEEE, New York, US, Vol. 10, núm. 6, 1º de
junio de 1992, páginas 735-746, describe un divisor
2 por 2 cuyo valor Lc de acoplamiento se elige de forma que tenga un
elemento divisor acromático a las longitudes de onda de
funcionamiento del divisor.
La presente invención tiene por objeto un
divisor óptico 2 por n, en óptica integrada, que no presenta las
limitaciones y las dificultades de los divisores de la técnica
anterior.
En particular, un objeto de la invención
consiste en proponer un divisor 2 por n que presenta bajas pérdidas
de exceso y un acromatismo satisfactorio, especialmente para las
telecomunicaciones ópticas en el conjunto de ventanas espectrales
de 1260-1360 y 1480-1660 nm. El
divisor de la invención es ventajosamente muy débilmente cromático,
es decir acromático, y presenta un mínimo de pérdidas de exceso.
En lo que resta de la descripción, se entiende
por acromático, tanto un bajo cromatismo (por ejemplo <0,5 dB
para las ventanas espectrales de las telecomunicaciones), como un
acromatismo "perfecto".
Un objeto de la invención consiste también en
realizar un divisor 2 por n, en el que las pérdidas de exceso y el
cromatismo son independientes con el fin de facilitar su
realización.
Un objeto de la invención consiste también en
proporcionar un divisor 2 por n, que no presente discontinuidad
para la onda luminosa, con el fin de limitar las pérdidas de
desadaptación y de reflexión.
Para alcanzar estos objetos, la invención
propone un divisor 2 por n, en óptica integrada, siendo n un número
entero superior o igual a 2, que incluye en un substrato al menos un
elemento divisor óptico 2 por 2, comprendiendo este elemento una
primera y una segunda guía-ondas de anchuras
respectivamente W1 y W2 susceptibles de dividir una onda luminosa E
de entrada introducida en una de las guías, en una primera y una
segunda ondas S1 y S2 de salida, transportadas respectivamente por
la primera y la segunda guías; estas primera y segunda guías
presentan respectivamente al menos tres partes:
- -
- una primera parte, de un primer tipo de acoplamiento, en la que la primera y la segunda guías se aproximan progresivamente hasta una distancia Dc que no es nula, pero inferior a una distancia Ds de umbral que corresponde a la distancia mínima a partir de la cual la onda luminosa de entrada introducida en una de las guías es susceptible de ser acoplada, al menos en parte, con la otra guía;
- -
- una segunda parte, de un segundo tipo de acoplamiento, de longitud Lc, denominada de acoplamiento, en la que las citadas guías son sensiblemente paralelas entre sí y distantes el valor Dc,
- -
- y una tercera parte, de un primer tipo de acoplamiento, en la que las guías se separan progresivamente a partir del valor Dc para distar entre sí un valor superior a Ds,
siendo elegidos los valores Dc, Lc,
W1, y W2 de manera que se tiene un elemento divisor acromático a las
longitudes de onda de funcionamiento del divisor, siendo elegidos
los valores Dc y Lc de modo que el primer tipo de acoplamiento y el
segundo tipo de acoplamiento varían con las citadas longitudes de
onda.
Este divisor funciona según las características
enunciadas en la parte caracterizadora de la reivindicación 1.
La onda luminosa está dividida según una
relación de división CR que está asociada a la salida de una de
dichas primera o segunda guías (por conveniencia).
Se entiende por guía óptica en la invención, una
guía de confinamiento lateral, por oposición a una guía planar, en
la que la luz puede propagarse en un plano: el plano de la guía.
Las guías de la invención son favorablemente
monomodos.
Una guía óptica se compone de una parte central
denominada generalmente corazón, y de medios circundantes situados
alrededor del corazón, y que pueden ser idénticos entre sí o
diferentes.
Para permitir el confinamiento de la luz en el
corazón, el índice de refracción del medio que compone el corazón
debe ser diferente, y en la mayor parte de los casos superior, al de
los medios circundantes.
Para simplificar la descripción, se asimilará la
guía a su parte central o corazón. Por otra parte, se denominará a
todos o parte de los medios circundantes, substrato, bien entendido
que mientras la guía no esté enterrada o lo esté poco, uno de los
medios circundantes puede ser exterior al substrato, y ser por
ejemplo el aire.
Según sea el tipo de técnica utilizada, el
substrato puede ser monocapa o multicapa.
Además, según sean las aplicaciones, una guía
óptica en un substrato puede ser más o menos enterrada en este
substrato e incluir, en particular, porciones de guía enterradas a
profundidades variables. Esto es particularmente cierto en la
tecnología de intercambio de iones del vidrio.
Según un modo de realización preferida, el
divisor se realiza en óptica integrada en un substrato de vidrio,
mediante técnicas de intercambio de iones.
Según un modo de realización de la invención,
dedicado especialmente a aplicaciones de telecomunicaciones, la
primera y la segunda guías presentan anchuras respectivas W1 y W2
tales que el elemento divisor, teniendo en cuenta Dc y Lc, tenga un
comportamiento acromático en las ventanas espectrales de
funcionamiento de 1260 a 1360 nm, y de 1480 a 1660 nm.
Por lo general, se elige W1 = W2 = W.
Con preferencia, las guías se aproximan y/o se
separan de forma simétrica.
Las pérdidas de exceso C pueden ser definidas a
partir de la ecuación siguiente:
C = 10\
log(P_{s1} +
P_{s2})/P_{E}
donde P_{s1}, P_{s2}, P_{E}
representan las potencias respectivas de la onda S1, S2 y
E.
La elección de los valores Dc, Lc, W1 y W2
permite compensar los fenómenos de acoplamiento de la luz entre las
dos guías, las cuales son diferentes en función de las longitudes de
onda, y disponer así de un elemento divisor acromático.
En efecto, cuando la distancia D entre las guías
es superior al valor D2, no existe acoplamiento entre las guías.
Cuando la distancia D entre las guías está comprendida entre la
distancia Ds y una distancia Dx, las guías establecen un
acoplamiento débil de proximidad que es más importante para las
longitudes de onda altas (por ejemplo, 1480-1660
nm), que para las longitudes de onda bajas (por ejemplo,
1260-1360 nm). Por el contrario, cuando la
distancia D entre las guías se hace pequeña y está comprendida entre
Dx y Dc, se cambia entonces de régimen de funcionamiento y el
fenómeno puesto en juego resulta ser entonces el acoplamiento fuerte
de proximidad que es más débil para las longitudes de onda altas
(por ejemplo, 1480-1660 nm) que para las longitudes
de onda bajas (por ejemplo, 1260-1360 nm). Este
acoplamiento fuerte se realiza en particular sobre la longitud de
onda Lc de la segunda parte.
Por otra parte, como Dc no es nula, la onda
luminosa no experimenta en este divisor ninguna discontinuidad, lo
que se traduce en pérdidas de exceso muy bajas. En un modo de
realización preferida, Dc debe ser superior a Dmin, siendo Dmin =
0,5 \mum.
El valor Dx puede definirse como la distancia
que separa las dos guías a partir de la cual se invierte el
acoplamiento de proximidad, de fuerte a débil, y a la inversa.
El elemento divisor 2 por 2, realizado según la
invención, puede ser asimilado a dos tipos de acopladores de
proximidad: un primer tipo de acoplador que funciona globalmente en
régimen de acoplamiento débil que corresponde a las partes I y III
del propio divisor si, según el valor de Dx, pueden existir zonas de
acoplamiento fuerte en estas partes; un segundo tipo de acoplador
que funciona en régimen de acoplamiento fuerte que corresponde a
las partes II del divisor.
Por otro lado, en las partes I y III del
elemento divisor que corresponden a acoplamientos débiles, la
aproximación de las guías y/o el alojamiento de las guías puede
hacerse según un arco de círculo de radio R \geq Rc, o según una
función de tipo sinusoidal que presenta un radio de cobertura mínimo
R \geq Rc. El valor Rc se define como el radio de curvatura
crítico por encima del cual no hay pérdidas de curvatura a la
longitud de onda más alta de las ventanas espectrales consideradas
(por ejemplo, 1260-1360 nm y
1480-1660 nm), todo esto con el fin de minimizar
las pérdidas de exceso del elemento divisor 2 por 2.
En uno de los modos de realización preferidos,
el radio R se toma igual a Rc con el fin de limitar al máximo el
acoplamiento débil de proximidad.
Por otra parte, cuanto más pequeño sea el radio
R, más compacto será el elemento divisor. Resulta por tanto
doblemente ventajoso elegir R = Rc.
En el caso de un divisor 2 por n, en óptica
integrada, siendo n un número entero superior a 2, este divisor
incluye en el substrato un elemento divisor óptico 2 por 2, tal como
el descrito anteriormente, y n-2 elementos
divisores 1 por 2 dispuestos en cascada, de modo que el divisor
incorpora 2 entradas correspondientes a las guías de entrada del
elemento divisor 2 por 2, y n salidas.
Los elementos divisores 1 por 2 se eligen entre
acopladores o uniones Y. Estos elementos divisores pueden ser
simétricos o no.
Un elemento divisor disimétrico puede ser
obtenido en el caso de un acoplador, jugando con la longitud de
interacción del acoplador y/o sobre la sección de las diferentes
vías de salida del acoplador.
Se puede obtener un elemento divisor disimétrico
en caso de utilización de una unión Y jugando sobre la sección de
las vías de salida de la unión y/o sobre el ángulo entre las vías de
salida de la unión y el eje óptico de la vía de entrada de la
unión.
Otras características y ventajas de la
invención, se pondrán de manifiesto a la vista de las descripción
que se va a realizar, y del examen de los dibujos anexos, cuya
relación es la siguiente:
La Figura 1, ya descrita, representa
esquemáticamente un divisor 2 por 2 conocido;
La Figura 2 representa esquemáticamente, en
corte, un divisor 2 por 2 conforme a la invención;
La Figura 3 representa esquemáticamente gráficos
útiles para el parametraje de las características Dc, W y Lc del
elemento divisor según la invención;
La Figura 4 representa esquemáticamente la
respuesta espectral del dispositivo de la Figura 2;
La Figura 5 representa esquemáticamente una
primera variante de realización de un divisor 2 por n, cuando n es
superior a 2, y
La Figura 6 representa esquemáticamente una
segunda variante de realización de un divisor 2 por n, cuando n es
superior a 2.
La Figura 2 representa esquemáticamente un
ejemplo de divisor 2 por 2 formado por un elemento divisor 2 por 2
según la invención, capacitado para dividir una onda luminosa E en
dos partes S1 y S2 según una relación de división CR.
En este esquema, se ha representado un corte
parcial de un substrato 10, en un plano XY que contiene las
diferentes direcciones de propagación de las ondas luminosas E, S1
y S2 en las guías ópticas de este elemento.
Este elemento divisor comprende en el substrato
10, una primera y una segunda guías G1 y G2, con preferencia
monomodos. Estas guías presentan, en este ejemplo, una anchura W
idéntica. Ambas se combinan entre sí de una manera que dividen una
onda luminosa E de entrada, introducida en una de las guías (por
ejemplo G1), en una primera y una segunda ondas S1 y S2 de salida
según la relación de división CR, estando la onda S1 vehiculada por
la guía G1, y estando la onda S2 vehiculada por la guía G2. Si la
onda luminosa E se introduce en el divisor a partir de la guía G2,
entonces las guías G1 y G2 permiten proporcionar respectivamente por
sus salidas las ondas S1 y S1 según la relación de división CR,
pudiendo estas ondas ser diferentes de las proporcionadas por el
divisor cuando la onda E se introduce por la guía G1.
Las guías G1 y G2 presentan respectivamente al
menos tres partes:
- -
- una primera parte I en la que las guías G1 y G2 se aproximan progresivamente hasta la distancia Dc que no es nula, y que es inferior a una distancia de umbral Ds correspondiente a la distancia mínima a partir de la cual la onda luminosa E de entrada introducida en una de las guías, ve la otra guía,
- -
- una segunda parte II de longitud Lc, denominada de acoplamiento, en la que las guías G1 y G2 son paralelas entre sí y distantes el valor Dc,
- -
- y una tercera parte III en la que las guías se separan progresivamente del valor Dc hasta un valor superior a Ds.
eligiéndose los valores de Dc, Lc y
W de forma que se tenga un elemento divisor acromático a las
longitudes de onda de
funcionamiento.
Las distancias Ds, Dc son consideradas según la
dirección Y del plano de corte de la figura, mientras que la
longitud Lc se considera según la dirección X de este plano.
En el sector de las telecomunicaciones, las
longitudes de onda de funcionamiento corresponden generalmente a
las ventanas espectrales de 1260-1360 nm y
1480-1660 nm.
Estas guías ópticas pueden ser realizadas en el
substrato mediante todos los tipos de técnicas y en particular
mediante técnicas de intercambio de iones o mediante técnicas de
depósito y de grabado químico. La delimitación de las guías puede
estar asegurada mediante un enmascaramiento apropiado. Estas
técnicas son bien conocidas en el sector de la óptica
integrada.
Según el tipo de técnica utilizada, el substrato
puede ser monocapa o multicapa. Por ejemplo, en el caso de las
técnicas por intercambio de iones, el substrato puede ser de
vidrio.
Con un divisor de ese tipo, una onda E luminosa
introducida en la guía G1 se propaga por ésta, aproximándose
progresivamente a la guía G2, estableciendo así con ésta un
acoplamiento de proximidad, una vez que la distancia entre las
guías G1 y G2 es inferior al valor de umbral Ds (correspondiendo Ds
a la distancia mínima a partir de la cual, para las longitudes de
onda de funcionamiento consideradas, las dos guías se ven). Siempre
que la distancia D entre las guías G1 y G2 no sea demasiado
pequeña, entonces el fenómeno puesto en juego es el de acoplamiento
de baja proximidad que es más importante para las longitudes de onda
altas (por ejemplo 1480-1660 nm) que para las
longitudes de onda bajas (por ejemplo 1260-1360 nm).
Por el contrario, cuando la distancia D entre las guías monomodos
se hace pequeña, se cambia entonces de régimen de funcionamiento y
el fenómeno puesto en juego consiste entonces en un acoplamiento
fuerte de proximidad que es más débil para las longitudes de onda
altas (1480-1660 nm) que para las longitudes de onda
bajas (1260-1360 nm).
El cambio de régimen de funcionamiento
interviene para una distancia Dx entre guías que está comprendida
entre el valor Ds y el valor Dc.
De este modo, en la parte I, el acoplamiento de
proximidad entre las guías pasa de un acoplamiento nulo (cuando D
> Ds) a un acoplamiento débil (cuando Ds > D > Dx) que es
más importante para las longitudes de onda grandes que para las
pequeñas; a continuación, el acoplamiento de proximidad entre las
guías pasa de un acoplamiento débil (cuando Ds > D > Dx) a un
acoplamiento fuerte (cuando Dx \geq D \geq Dc) que es más
importante para las pequeñas longitudes de onda que para las
grandes. Este acoplamiento fuerte de proximidad se mantiene en la
parte II en la que la distancia D entre las guías G1 y G2 es igual a
Dc (Dx \geq Dc). Por último, en la parte III, el acoplamiento
vuelve a pasar desde un acoplamiento fuerte (cuando Dx \geq D
\geq Dc) a un acoplamiento débil (cuando Ds > D > Dx) con,
al igual que en lo que antecede, una inversión de comportamiento de
acoplamiento para las longitudes de onda altas y bajas. Por último,
para una distancia D entre las guías superior a Ds, no hay
acoplamiento entre las dos
guías.
guías.
Se obtiene así una onda luminosa E repartida
según las dos ondas S1 y S2 en las dos guías monomodos G1 y G2.
Este comportamiento contrario entre el acoplamiento débil de
proximidad y el acoplamiento fuerte de proximidad, permite mediante
el fenómeno de compensación, para valores de Dc, W y Lc bien
elegidos, obtener un elemento divisor acromático. Además, en este
dispositivo, al no ser Dc nula, la onda luminosa no experimenta
ninguna discontinuidad, lo que se traduce en pérdidas de exceso muy
débiles y en la supresión de la dependencia entre pérdidas de
exceso y cromatismo. Dc es superior a 0, y en uno de los modos de
realización preferidos, Dc debe ser superior a Dmin siendo Dmin =
0,5 \mum.
Los parámetros libres que permiten modificar el
cromatismo, son: Dc, W y Lc, este último en menor medida como se
verá en la descripción que sigue. Dc, W y Lc tienen muy poca
repercusión sobre las pérdidas de exceso, asegurando así en general
una independencia entre estas últimas y el cromatismo. Esta
independencia facilita además la realización del elemento divisor 2
por 2.
Según se ha visto en lo que antecede, la
aproximación de las guías puede hacerse con un arco de círculo de
radio R \geq Rc, o con una función de tipo seno que presenta un
radio de curvatura R tal que R \geq Rc. Se define Rc como el
radio de curvatura crítica más allá del cual no hay pérdidas de
curvatura a la longitud de onda más alta de las ventanas
espectrales de funcionamiento consideradas (por ejemplo
1260-1360 nm y 1480-1660 nm), todo
esto con el fin de minimizar las pérdidas de exceso del elemento
divisor 2 por 2.
En uno de los modos de realización preferido, el
radio R será considerado igual a Rc con el fin de limitar al máximo
el acoplamiento débil de proximidad. A título de ejemplo, Rc = 30000
\mum.
El elemento divisor permite dividir una onda E
en dos partes según una relación de división CR tal que:
siendo P_{s1}, P_{s2},
respectivamente, las potencias luminosas de las ondas S1 y
S2.
Por otra parte, según se ha visto en lo que
antecede, el elemento divisor 2 por 2 realizado según la invención,
puede ser asemejado a dos tipos de acopladores de proximidad: un
primer tipo de acoplador que funciona globalmente en régimen de
acoplamiento débil que corresponde a las partes I y III del divisor
incluso aunque, según el valor de Dx, puedan existir zonas de
acoplamiento fuerte en estas partes; un segundo tipo de acoplador
que funciona en régimen de acoplamiento fuerte que corresponde a la
parte II del divisor.
De una manera general, para la amplitud de onda,
la matriz de transferencia Ti de un acoplador i, se escribe:
El elemento divisor de la invención 2 por 2,
siendo asemejado a 2 acopladores dispuestos uno tras otro, si se
inyecta en la guía G1 una onda luminosa E, la potencia luminosa a la
salida de la guía G2 puede escribirse:
P_{s2} =
(P_{s1}+P_{s2}) \cdot (sen(K_{a} \cdot L_{1}) \cdot
cos(K_{2} \cdot L_{2}) + cos(K_{2} \cdot L_{1}) \cdot
sen(K_{2} \cdot
L_{2}))^{2}
o
(ecuación
2)P_{s2} = (P_{s1}+P_{s2}) \cdot sen^{2}(K_{1} \cdot
L_{1} + K_{2} \cdot
L_{2})
donde K_{1}, L_{1} son los
parámetros del acoplador efectivo asociado a los brazos de
aproximación en las partes I y III, y K_{2}, L_{2} son los
parámetros del acoplador de acoplamiento fuerte asociado a la parte
II. Así, K1 = K_{débil}, L1 = L_{ef}, y K2 = K_{fuerte}, L2 =
Lc. Los coeficientes Ki de acoplamiento son funciones
respectivamente de \lambda, de la anchura W de las guías y de la
distancia D que las
separa.
A partir de las ecuaciones 1 y 2, se puede
escribir entonces la relación de división CR (por ejemplo, con
relación a la guía G2) en forma de función sinusoidal, especialmente
de Lc:
(Ecuación 3)CR
= sen^{2}(K_{débil}(\lambda,W,D_{ef}) \cdot L_{ef} +
K_{fuerte}(\lambda,W,Dc) \cdot
Lc)
donde:
K_{débil}(\lambda,W,D_{ef}) es el
coeficiente de acoplamiento de proximidad del acoplador débil de
distancia entre ejes efectiva D_{ef} con la longitud efectiva
L_{ef} del elemento divisor que se puede asociar a las guías G1 y
G2 en las partes I y III de proximidad,
\lambda es la longitud de onda considerada de
la onda luminosa,
K_{fuerte}(\lambda,W,Dc) es el
coeficiente de acoplamiento de proximidad del acoplador fuerte de
distancia entre ejes Dc y la longitud Lc del elemento divisor que
se puede asociar a la parte II,
W es la anchura de las guías monomodos del
elemento divisor 2 por 2.
El primer acoplador correspondiente, en la parte
I y en la parte III, esencialmente a los brazos de aproximación de
las curvas de las guías G1 y G2, presenta una distancia entre ejes
efectiva D_{ef} que es bastante grande, ya que corresponde a la
distancia media entre los brazos de proximidad. Debido a esto, el
acoplador funciona en régimen de acoplamiento débil que está
caracterizado por un acoplamiento más importante a longitudes de
onda altas que a longitudes de onda bajas. K_{débil} es por tanto
una función creciente de l que depende de D_{ef} y de L_{ef}.
Estos parámetros están relacionados directamente con el radio de
curvatura medio R de los brazos de aproximación curvos de las guías
G1 y G2 en las partes I y III. El acoplamiento entre los brazos de
aproximación aumenta cuando R aumenta, de modo que para limitar este
acoplamiento, hace falta que R sea lo más pequeño posible. Con el
fin de limitar este acoplamiento (R lo más pequeño posible), pero
asimismo las pérdidas de exceso (R \geq Rc), resulta ventajoso
tomar R = Rc con Rc definido como el radio de curvatura mínimo más
allá del cual no hay pérdidas de curvatura a las longitudes de onda
más altas de las ventanas espectrales consideradas.
A título de ejemplo, Rc = 30000 \mum.
El segundo acoplador de proximidad corresponde
al menos a la parte II en la que las dos guías G1 y G2 son
sensiblemente paralelas y distan Dc. En este acoplador, la distancia
Dc debe ser pequeña con el fin de tener un fuerte acoplamiento
entre las guías G1 y G2. Así, este acoplador funciona en régimen de
acoplamiento fuerte para el que el acoplamiento es más importante a
longitudes de onda bajas que a longitudes de onda altas.
K_{fuerte} es por tanto una función decreciente de \lambda
contrariamente a K_{débil}. El coeficiente K_{fuerte} depende
de los parámetros W y Dc (cuando estos últimos aumentan, el
coeficiente de acoplamiento K_{fuerte} disminuye), así como de
\lambda. Con el fin de limitar eventuales pérdidas de
desadaptación de modo, se preconiza tomar D_{c} \geq Dmin.
La variación contraria de K_{débil} y de
K_{fuerte} se traduce mediante la posibilidad de obtener una
relación de división entre los dos brazos de salida de las guías G1
y G2 (en la parte III) muy poco dependiente de \lambda. Para ello
es necesario que la evolución en función de \lambda de K_{débil}
y de K_{fuerte} sea prácticamente idéntica, pero de sentido
contrario. Los parámetros que permiten obtener esta compensación
entre el acoplamiento fuerte y el acoplamiento débil son Dc y
W.
La Figura 3 representa, para diferentes
longitudes de onda, las variaciones de CR en función de Lc para
valores de Dc = 1,2 \mum y W = 2,8 \mum.
Estas curvas han sido obtenidas
experimentalmente haciendo variar Lc de 0 a 450 \mum para las
longitudes de onda de 1260 nm (curva 41), 1360 nm (curva 42), 1480
nm (curva 43) y 1660 nm (curva 44).
De ese modo, en vista de la ecuación 1 y según
muestra la Figura 3, la relación de división CR entre los brazos de
salida de las guías es una función sinusoidal de L_{fuerte}, y por
tanto de Lc. El parámetro Lc permite así ajustar esta relación de
división. En caso de que exista compensación entre el acoplamiento
fuerte y el acoplamiento débil para una ventana espectral dada,
entonces las variaciones de CR en función de Lc, asociadas a las
longitudes de onda de esta ventana espectral, son sinusoides muy
próximas unas a otras, como muestra la Figura 3. Cuanto más se
confundan las sinusoides, más acromático es el elemento divisor 2
por 2. El estudio de CR en función de Lc permite parametrar el
elemento divisor.
Si los períodos de la función sinusoidal CR (Lc)
son más largos a longitudes de onda altas que a longitudes de onda
bajas, entonces la zona de acoplamiento fuerte (parte II
esencialmente) compensa demasiado las zonas de acoplamiento débiles
(partes I y III). En este caso hay que aumentar Dc y/o W para tener
una buena compensación cromática entre estas dos zonas.
Las curvas de la Figura 4 ilustran, para un
elemento divisor 2 por 2 como el representado en la Figura 2, las
pérdidas totales (con las pérdidas de exceso) de la onda luminosa
entre la entrada por una de las guías y la salida de esta onda por
una de las guías, en función de las longitudes de onda.
Así, se han representado las pérdidas para una
onda E:
- -
- entrando por la guía G1 y saliendo por la guía G1 (curva E_{G1}, S1 referenciada con 31);
- -
- entrando por la guía G1 y saliendo por guía G2 (curva E_{G1}, S2 referenciada con 32);
- -
- entrando por la guía G2 y saliendo por la guía G1 (curva E_{G2}, S1 referenciada con 33);
- -
- entrando por la guía G2 y saliendo por la guía G2 (curva E_{G2}, S2 referenciada con 34).
Estas curvas han sido obtenidas para un elemento
divisor 2x2 en el que Lc = 220 \mum, CR = 0,5. Las pérdidas de
exceso de este elemento son débiles e inferiores a 0,15 dB.
Se observa en la Figura 4 que en las ventanas
espectrales 1260-1360 nm y 1480-1660
nm las pérdidas totales no varían más de 0,5 dB, pudiéndose decir
que este elemento divisor es muy poco cromático y presenta pérdidas
de exceso muy débiles.
Según un modo ventajoso, se puede elegir, para
un elemento divisor 2 por 2 según la invención que asegure una
relación de división de 0,5 y que funcione en las ventanas
espectrales de 1260-1360 nm y
1480-1660 nm:
- -
- anchuras W de guías tales que W < Wc, donde Wc es la anchura máxima para la que las guías son monomodos para longitudes de onda superiores a 1260 nm;
- -
- un radio de curvatura R de las guías en las partes I y III tal que R = Rc, donde Rc es el radio de curvatura mínimo para el que las pérdidas de curvatura a 1660 nm son despreciables;
- -
- Dc y W tales que las curvas de variación de la relación de división CR en función de Lc se confundan para las longitudes de onda pertenecientes a las ventanas espectrales 1260-1360 nm y 1480-1660 nm;
- -
- Lc tal que la relación de división CR sea igual a 0,5.
A título de ejemplo, se puede elegir:
- -
- Dc entre 0,6 a 2,6 \mum,
- -
- W entre 1,6 \mum a Wc,
- -
- Lc entre 0 a 450 \mum.
Las Figuras 5 y 6 representan respectivamente,
de forma esquemática, un divisor 2 por n según la invención, en el
caso particular de n = 4.
Estas Figuras ilustran un corte parcial del
substrato 10, en un plano XY que contiene las diferentes direcciones
de propagación de las ondas luminosas en el divisor de la
invención.
Este divisor incluye en el substrato 10, un
elemento divisor 15 de tipo 2 por 2, tal como el que se ha descrito
con referencia a la Figura 2, en cascada con 2 elementos divisores
de tipo 1 por 2, que pueden ser simétricos o no.
De ese modo, cada uno de los extremos de salida
de las guías G1 y G2 del elemento 15 se ha conectado ópticamente a
un divisor de tipo 1 por 2, de modo que el divisor incluye al final
dos entradas referenciadas como A1 y A2 capacitadas para recibir
una onda E, y 4 salidas referenciadas como B1, B2, B3, B4
capacitadas para proporcionar a la salida respectivamente una onda
S1, S2, S3, S4.
En la Figura 5, los 2 elementos divisores 1 por
2, han sido realizados por medio de las uniones en Y referenciadas
con 21 y 23, estando la unión 21 realizada en la guía G1 mientras
que la unión 23 se ha realizado en la guía G2. La unión 21 incluye
además dos guías de salida, G'1 capacitada para suministra la onda
de salida S1, y G3 capacitada para suministrar la onda de salida
S3; la unión 23 incluye asimismo dos guías de salida, G'2
capacitada para suministrar la onda de salida S2, y G4 capacitada
para suministrar la onda de salida S4.
Para obtener relaciones de división diferentes
de 0,5 entre las distintas ramas de cada unión Y, se juega sobre la
sección de las guías de salida de la unión y/o sobre el ángulo entre
las guías de salida de la unión y el eje óptico de la guía de
entrada de la unión.
En la Figura 6, los 2 elementos divisores 1 por
2 han sido realizados mediante los acopladores 25 y 27. El
acoplador 25 se ha realizado por medio de la guía G1 y con una guía
G5 de la que una parte se encuentra situada en las proximidades de
la guía G1, a efectos de acoplar una parte de la onda vehiculada por
la guía G1 con la guía G5. Las guías G1 y G5 proporcionan así a la
salida las ondas S1 y S3. El acoplador 27 se realiza mediante la
guía G2 y una guía G6 de la que una parte se encuentra situada en
las proximidades de la guía G2, con el fin de acoplar una parte de
la onda vehiculada por la guía G2, con la guía G6. Las guías G2 y G6
proporcionan así a la salida las ondas S2 y S4.
Para obtener relaciones de división diferentes
de 0,5 entre las diferentes salidas de los acopladores, se juega
sobre la longitud de interacción del acoplador y/o sobre la sección
de las diferentes guías de salida del acoplador.
Claims (9)
-
\global\parskip0.970000\baselineskip
1. Divisor 2 por n en óptica integrada, siendo n un número entero superior o igual a 2, que incluye, en un substrato, al menos un elemento (15) divisor óptico 2 por 2, comprendiendo este elemento una primera y una segunda guías (G1, G2) de anchuras W1 y W2 respectivamente, capacitadas para dividir una onda luminosa (E) de entrada introducida en una de las guías, en una primera y una segunda ondas (S1, S2) de salida transportadas respectivamente por la primera y la segunda guías; presentando respectivamente estas primera y segunda guías al menos tres partes:- -
- una primera parte (I), de un primer tipo de acoplamiento, en la que la primera y la segunda guías se aproximan progresivamente hasta una distancia Dc que no es nula, pero inferior a una distancia Ds de umbral correspondiente a la distancia mínima a partir de la cual la onda luminosa de entrada introducida en una de las guías es susceptible de ser acoplada, al menos en parte, con la otra guía,
- -
- una segunda parte (II), de un segundo tipo de acoplamiento, de longitud Lc, denominada de acoplamiento, en la que las citadas guías son sensiblemente paralelas entre sí y distan el valor Dc,
- -
- y una tercera parte (III), de un primer tipo de acoplamiento, en la que las guías se separan progresivamente del valor Dc para alcanzar una distancia de valor superior a Ds, estando los valores Dc, Lc, W1 y W2 elegidos de modo que se obtenga un elemento divisor acromático a las longitudes de onda de funcionamiento del divisor, estando los valores Dc y Lc elegidos de modo que el primer tipo de acoplamiento y el segundo tipo de acoplamiento varían inversamente con las citadas longitudes de onda,
que se caracteriza porque:el elemento divisor 2 por 2 que funciona en las ventanas espectrales de 1260-1360 nm y 1480-1660 nm y que presenta una relación de división CR igual a 0,5, se elige de modo que las anchuras W1 y W2 van desde 1,6 \mum a Wc, la distancia Dc va desde 0,6 a 2,6 \mum, y la longitud Lc va desde 0 a 450 \mum, siendo Wc la anchura máxima para la que las guías son monomodos para las citadas ventanas espectrales. - 2. Divisor según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el substrato es vidrio y las guías se han realizado por intercambio de iones en el substrato.
- 3. Divisor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, que se caracteriza porque:la primera y la segunda guías (G1, G2) presentan anchuras respectivas W1 y W2 tales que el elemento divisor 2 por 2, teniendo en cuenta los valores de Dc y de Lc, tenga un comportamiento acromático en las ventanas espectrales de funcionamiento de 1260 a 1360 nm y de 1480 a 1660 nm.
- 4. Divisor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que se caracteriza porque:las guías (G1, G2) del elemento divisor 2 por 2 se aproximan y/o se separan de forma simétrica.
- 5. Divisor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se caracteriza porque:el valor Dc es inferior o igual a un valor Dx correspondiente a la distancia que separa la primera y la segunda guías, para la que el acoplamiento entre las citadas guías se invierte de fuerte a débil y a la inversa, significando el acoplamiento débil un acoplamiento más importante a las longitudes de onda altas que a las longitudes de onda bajas, y significando el acoplamiento fuerte un acoplamiento más importante a las longitudes de onda bajas que a las longitudes de onda bajas.
- 6. Divisor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que se caracteriza porque:en las primera y tercera partes del elemento divisor 2 por 2, la aproximación de las primera y segunda guías y/o el alejamiento de las citadas guías, se realiza según un arco de círculo de radio R \geq Rc, o según una función de tipo sinusoidal que presenta un radio de curvatura R mínimo tal que R \geq Rc, donde Rc se define como el radio de curvatura crítico por encima del cual no hay pérdidas de curvatura a la longitud de onda más alta de las longitudes de onda de funcionamiento.
- 7. Divisor según la reivindicación 6, que se caracteriza porque R = Rc.
- 8. Divisor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que se caracteriza porque:siendo n superior a 2, este divisor incorpora en el substrato un elemento divisor óptico 2 por 2, y n-2 elementos divisores 1 por 2 dispuestos en cascada de modo que el divisor incluye 2 entradas correspondientes a la primera y a la segunda guías del elemento divisor 2 por 2, y n salidas.
- 9. Divisor según la reivindicación 8, que se caracteriza porque los n-2 elementos divisores 1 por 2 se eligen entre los acopladores y/o las uniones Y.
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