ES2335078B1 - Estructura de cruce entre guias fotonicas integradas. - Google Patents
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Abstract
Estructura de cruce entre guías fotónicas
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).
Description
Estructura de cruce entre guías fotónicas
integradas.
\global\parskip0.900000\baselineskip
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.
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
Óxido de Silicio (SiO_{2}), 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.
\global\parskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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
\mum (3 \mum desde que comienza el diseño hasta el punto de
cruce y otras 3 \mum 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 usan en el dispositivo integrado. En
cuanto a la anchura de las guías, el exclusivo diseño comienza
aumentando la derivada de la anchura inicial de la guía para pasar
después a disminuirla, aumentarla de nuevo después, y finalmente
disminuirla en el momento en el que se cruza con la otra guía.
Asimismo, es objeto de la invención el aumentar
el ancho de banda de operación del cruce haciéndolo lo más
independiente posible de la banda de operación que se requiera en
cada momento. En tal caso, se usa una fuente óptica sintonizable
generada para conformar la señal óptica de entrada y que se inyecta
con todas sus componentes espectrales al dispositivo óptico pasivo
que contiene el diseño del cruce. Los resultados reflejan una
operatividad aceptable del diseño descrito en un gran ancho de
banda, disminuyendo sus prestaciones a medida que la fuente óptica
excita el dispositivo con longitudes de onda más alejadas de la
tercera ventana.
En definitiva, la principal mejora que introduce
la presente invención respecto a sus antecedentes es la de un
diseño compacto, sencillo en su fabricación y sin motivos tan
pequeños como para suponer un problema de fabricación con las
técnicas de nano-fabricación que existen
actualmente con el uso de e-beam (Electron
Beam o haz electrónico) o DUV (Deep Ultra Violet o
ultravioleta profundo). Esto permite la posibilidad de fabricación
incluyendo procesos de recubrimiento superior para la protección
del dispositivo, aumentando así sus posibilidades comerciales.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de un modo de realización práctico de la misma, se
acompaña como parte integrante de esta descripción, un juego de
dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha
representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un diagrama en tres
dimensiones del cruce de guías con el diseño descrito en la
presente invención.
La figura 2 muestra un diagrama del detalle del
diseño de las guías en el momento del cruce.
La figura 3 muestra un diagrama del diseño del
cruce simulando la propagación de la señal óptica, junto a una
escala identificativa del nivel de campo óptico a lo largo de la
propagación.
\newpage
A la vista de las figuras reseñadas, se pasa a
continuación a describirse los modos de realización preferidos de
la invención:
El diseño completo 1 del cruce mostrado en la
Figura 1 será posiblemente parte de un circuito mayor con las
aplicaciones que le correspondan en cada caso y dicho diseño, que
incluye el cruce objeto de la invención, se implementará mediante
óptica integrada en un mismo sustrato.
Las guías 2 preferibles serán rectangulares y
las dimensiones preferentes de las guías 2 que se cruzan de 500 nm
de anchura por 250 nm de altura. No obstante dichas dimensiones
dependerán del tipo de oblea utilizada en el proceso de fabricación
y del material del que esté compuesta.
En cuanto a la anchura de las guías, el
exclusivo diseño 3 comienza aumentando la derivada de la anchura
inicial de la guía para pasar después a disminuirla, aumentarla de
nuevo después, y finalmente disminuirla en el momento 5 en el que
se cruza con la otra guía.
En caso de usar una fuente óptica fija que emita
únicamente en tercera ventana para conformar la señal óptica de
entrada, se comprueba que con el anterior diseño se consiguen unos
niveles de pérdidas y de diafonía despreciables y por tanto
óptimos.
Para la medida de las pérdidas del cruce se
precisa además de la fuente óptica, de un medidor de potencia para
ver la diferencia entre la potencia óptica a la entrada menos la
potencia óptica a la salida de la guía. Por su parte, la medida de
diafonía precisará también de la misma fuente óptica y medidor de
potencia, midiendo en este caso en las dos salidas 4a, 4b de la
guía que cruza a la primera.
Aunque el material preferente para el diseño de
las guías es el Silicio (Si), por su alto índice de refracción que
le confieren la ventaja de poderse utilizar en diseños de menores
dimensiones, este diseño es también extrapolable a otro tipo de
materiales típicamente usados en el campo de la óptica integrada
como pueden ser el Óxido de Silicio (SiO2), Nitruro de Silicio
(Si3N4), Oxinitruro de Silicio (SixOyN4) o Arseniuro de Galio
(GaAs) entre otros.
La integración se realiza con tecnología SOI,
esto es, en Silicio sobre una base de Óxido de Silicio y un
sustrato de Silicio.
Por lo tanto, otros posibles diseños para el
cruce objeto de la invención serán los realizados con guías de un
material distinto al Silicio que llevara consigo el correspondiente
cambio en las dimensiones del diseño detallado anteriormente e
ilustrado por las figuras adjuntas.
Los términos con los cuales se ha redactado esta
memoria deben ser tomados siempre en sentido amplio y no
limitativo.
La invención ha sido descrita según este texto y
juego de figuras para algunas realizaciones preferentes de la
misma, pero el experto en la materia podrá entender que múltiples
variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones y
combinarse de diversas maneras dando lugar a más variantes
posibles, sin salir del ámbito definido por las reivindicaciones
que se incluyen seguidamente.
Claims (8)
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 Óxido 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:
- -
- Óxido de Silicio,
- -
- Nitruro de Silicio,
- -
- Oxinitruro de Silicio o
- -
- Arseniuro de Galio (GaAs).
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100318 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2335078 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20110614 |