ES2694249B2 - Acoplador direccional fotonico con sintonizacion independiente de factor de acoplo y desfase - Google Patents
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Description
DESCRIPCION
ACOPLADOR DIRECCIONAL FOTONICO CON SINTONIZACION INDEPENDIENTE
DE FACTOR DE ACOPLO Y DESFASE
Objeto de la invencion
El objetivo de la presente invencion es poder permitir una sintonizacion independiente del factor de acoplo y de la fase a la salida de acopladores direccionales fotonicos (TDC - Tunable Directional Couplers).
El campo tecnico de la invencion es el campo de la fotonica, los circuitos opticos integrados ("PIC” - "Photonic Integrated Circuits”) y dentro de los mismos, los acopladores direccionales fotonicos.
Las aplicaciones de la presente invencion se encuentran en muchas funcionalidades fotonicas y RF-fotonicas tales como: Circuitos integrados fotonicos reconfigurables / redes opticas; Filtrado optico RF-Fotonico; Redes de conformation de haces fotonicos para antenas de matriz en fase sintonizable; Generation y conformacion de formas de onda arbitrarias; Conversion analogica a digital; radar fotonico; Distribution de senal controlada; Instrumentation fotonica avanzada; Osciladores opto-electronicos y Computation cuantica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Los acopladores direccionales en el campo de la fotonica son ampliamente conocidos y utilizados en circuitos opticos integrados. Se utilizan para dividir la senal desde uno de sus dos puertos de entrada a dos puertos de salida con un porcentaje de acoplo concreto a cada puerto de manera fija. Tambien dentro del estado de la tecnica se encuentran los acopladores direccionales sintonizables. Estos permiten modificar el coeficiente de acoplo mediante la aplicacion de un desfase en una de las dos gulas que componen el dispositivo (o aplicando un desfase diferencial entre ellas). Un ejemplo de este tipo de dispositivo se divulga en la solicitud de patente con numero de publication US5375180A.
Los acopladores direccionales fotonicos basicos asl como los que permiten la sintonizacion del coeficiente de acoplo, imponen a la salida un desfase fijo dependiente del coeficiente de acoplo. Dado que estos elementos suelen ir integrados en estructuras que explotan la interferencia entre senales como cavidades o interferometros multipuerto, la sintonizacion de la fase resulta tan esencial como el coeficiente de acoplo para la correcta optimization y configuration de los circuitos. Es decir, a medida que se modifica la senal suprimida (es decir, modifica el factor de
acoplo), se modifica la frecuencia (desfase del filtro) de la salida de forma indeseada. Y todo ello por la mera construction de los acopladores direccionales.
Una de las soluciones del estado de la tecnica divulgada en la solicitud de patente EP1259855A1 consiste en poner dos acopladores en serie donde cada acoplador tiene dos gulas de ondas de anchuras diferentes e intercambiadas de tal manera que al conectarse una gula de ondas de un acoplador con otra gula de ondas de diferente anchura del siguiente acoplador, este ultimo acoplador intentaba compensar de forma pasiva el desfase introducido por el primer acoplador.
Teniendo en cuenta el estado de la tecnica actual, serla deseable poder obtener un dispositivo fotonico que supere los problemas anteriormente indicados del estado de la tecnica.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Con el objetivo de eliminar la limitation principal del estado de la tecnica, se propone un diseno de un acoplador direccional fotonico capaz de sintonizar de manera independiente el coeficiente de acoplo y la fase a la salida del acoplador. Para ello, se emplea una arquitectura en la que, mediante dos desfasadores opticos, las condiciones de propagation de la senal de ambos brazos (gulas de ondas) se puede modificar. De este modo, el desfase diferencial (o unico) modifica el coeficiente de acoplo y un desfase comun (o equitativo) en ambos brazos permite configurar el desfase global que aplica el acoplador direccional fotonico.
Ademas de su aplicacion en circuitos clasicos, el acoplador direccional fotonico de la presente invention resulta esencial para la generation de circuitos opticos mallados.
Para entender mejor el acoplador direccional fotonico de la presente invencion, a continuation se expone la teorla de modos acoplados. El campo optico a la salida de un acoplador direccional fotonico es:
donde "β1” y "β2” son los coeficientes de propagacion de los modos en las dos guias de ondas; “k” es el coeficiente de acoplamiento entre modos; “z” es la variable que
define la longitud de acoplamiento y “A” es la diferencia entre los coeficientes de propagacion fa - fa. El argumento y la fase de cada unos de los vectores anteriores son:
Hay que tener en cuenta que los coeficientes de propagaci6n“p i” y “p2” incluyen una parte real y una parte imaginaria, la cual indica las perdidas. Adicionalmente, se puede separar la contribucion estatica y la contribucion activa. La contribucion estatica (referenciada con subrndice “p”) da cuenta del comportamiento pasivo de las gulas de ondas y esta determinado por la propia fabricacion del acoplador direccional fotonico. La contribucion activa es la que proviene de cada desfasador sobre cada gula de ondas (pa) dada por un cambio en el mdice efectivo Aneff.
Teniendo en cuenta lo anterior, los coeficientes de propagacion se pueden escribir de la siguiente forma si novedosamente incluimos dos desfasadores (uno por cada gula de ondas):
Si se vuelve a calcular “A” como la diferencia entre los coeficientes de propagacion fa - fa2, se obtiene que:
Es decir, que la diferencia “A” entre los coeficientes de propagaci6n pi - p2 depende de una “Ap” que es fija y predeterminada por la propia construccion del
acoplador direccional fotonico. Que la diferencia “A” tambien depende de la “Aa” que es funcion de los desfasadores.
Considerando las ecuaciones anteriores 1 a 4, se puede observar que modificando la constante de propagacion pa, se introduce un cambio de fase en una de las gulas de ondas que cambian el coeficiente de acoplamiento K del acoplador direccional fotonico.
Volviendo sobre las ecuaciones anteriores, se puede observar que un incremento comun en ambas guias de ondas, es decir p ia = p2a, conduce a un factor de acoplo fijo con una sintonizacion de la respuesta en fase. Es decir, una misma variacion de los indices p ia y p2a permite sintonizar (aumentando o disminuyendo) la fase de forma independiente al factor de acoplo. Dicho de otro modo, el desfase diferencial o unico modifica el coeficiente de acoplo y un desfase comun o equitativo en ambos brazos (gulas de ondas) permite configurar el desfase global que aplica la estructura. Esto junto con la forma de llevar a cabo la seleccion de p ia y p2a representa el avance de la invencion sobre el estado de la tecnica. Concretamente, la seleccion de p ia y p2a se lleva a cabo con un desfasador por cada guia de ondas. Adicionalmente, los desfasadores pueden estar asociados a otros elementos dependiendo de la tecnologla de sintonizacion (termo-optica, electro-optica, de efectos capacitivos, sintonizacion optica, etc...).
La longitud de acoplamiento depende del coeficiente de acoplamiento K, tambien llamado coeficiente de acoplamiento en potencia K. Para acopladores direccionales fotonicos pasivos donde ambas guias de ondas son iguales, es decir Apip = Ap2p, la longitud de acoplamiento debe ser igual a:
|
Si las gulas de ondas paralelas son diferentes, Afi1p Afi2p, entonces se debe imponer un factor de correction a la longitud de acoplamiento, resultando en:
Para acopladores 3-dB, la longitud del acoplador es la mitad de la longitud de acoplamiento total.
Teniendo en cuenta lo anterior, en un primer aspecto de la presente invencion se divulga un acoplador direccional fotonico con sintonizacion independiente de factor de acoplo y desfase, que comprende:
• una primera gula de ondas con Indice de propagacion p1 y una segunda gula de ondas con Indice de propagacion j32;
• una entrada y una salida para la primera gula de ondas, y una entrada y una salida para la segunda gula de ondas;
• un primer desfasador, situado a una distancia predeterminada de la primera gula de ondas, configurado para modificar el coeficiente de propagation fr1 de la primera gula de ondas;
• un segundo desfasador, situado a una distancia predeterminada de la segunda gula de ondas, configurado para modificar el coeficiente de propagacion de la segunda gula de ondas;
estando el primer desfasador y el segundo desfasador configurados de tal forma que mediante la modification independiente (diferencial o unica) del coeficiente de propagacion fr1 y del coeficiente de propagacion β2, respectivamente, se sintoniza un factor de acoplo “K” entre una senal optica a la entrada de una de las gulas de ondas y unas senales opticas a las salidas de ambas gulas de ondas, y mediante la modificacion igualitaria y simultanea del coeficiente de propagacion fr1 y del coeficiente de propagacion β2, respectivamente, se sintoniza el desfase comun en las senales opticas a las salidas de ambas gulas de ondas.
En este punto, se recuerda que, para un acoplador direccional compuesto por dos gulas de ondas y segun se conoce en el estado de la tecnica, una senal de “entrada” a la entrada de una gula de ondas se propagara por dicha gula de ondas dando lugar a dos senales, la senal “directa” y la senal “acoplada”. La senal directa es la proporcion de la senal de entrada que se encuentra en la salida perteneciente a la gula de entrada. La senal acoplada es una segunda senal que se genera en la otra gula de ondas por action de los campos electricos y magneticos generados por la senal de entrada propagandose por su correspondiente gula de ondas. El factor de acoplo “K” establece la relation entre la potencia de la senal acoplada y la senal de entrada. Asi, un factor de acoplo “K” de 0,6 implica que la potencia de la senal acoplada tendra 60% de la potencia de la senal de entrada, y por tanto, la senal directa tendra una potencia del 40% de la senal de entrada (se supone idealmente que no hay perdidas).
La modificacion independiente del coeficiente de propagacion fr1 y del coeficiente de propagacion β2 se pueden modificar de forma independiente o unica, es decir, se puede obtener el mismo factor de acoplo “K” si, por ejemplo se modifica fr1 en un valor “0” (no hay modificacion) y se modifica β2 en un valor “7” (modificacion unica) que si se modifica fr1 en un valor “3” y se modifica β2 en un valor “10” (modificacion diferencial -se mantiene la diferencia de “7”). En cambio, el desfase en los ejemplos antes indicados es diferente, es decir, para fr1 con un valor “0” y para β2 con un valor “7” y
por otro lado, para fa con un valor "3” y fa con un valor "10”, se obtiene el mismo factor de acoplo "K” pero dos desfases diferentes.
En una realization de la invention, el acoplador direccional fotonico, adicionalmente comprende un substrato y un revestimiento. El revestimiento se situa sobre el substrato, el cual interiormente comprende al menos la primera gula de ondas y la segunda gula de ondas. Ademas, el primer desfasador y el segundo desfasador pueden estar situados sobre el revestimiento.
En otra realizacion de la invencion, el acoplador direccional fotonico, adicionalmente puede comprender un tercer desfasador, situado a la entrada o a la salida de cualquiera de las gulas de ondas de acceso al acoplador de gula de ondas, configurado para modificar el desfase correspondiente al puerto (entrada o salida) en el que ha sido situadoel tercer desfasador. De esta manera si el tercer desfasador se situa a la entrada (puerto de entrada del acoplador direccional fotonico) de cualquiera de las gulas de ondas, el tercer desfasador introduce un desfase anterior al desfase introducido por el primer desfasador y por el segundo desfasador. Si el tercer desfasador se situa a la salida (puerto de salida del acoplador direccional fotonico) de cualquiera de las gulas de ondas, el tercer desfasador introduce un desfase posterior al desfase introducido por el primer desfasador y por el segundo desfasador. Este tercer desfasador es ventajoso porque puede realizar un ajuste del desfase anterior o posterior al que se obtiene por el primer desfasador y por el segundo desfasador, dando option de obtener valores de desfase deseados que no se podrlan llegar a obtener con solo la action conjunta del primer desfasador y del segundo desfasador. En otra realizacion de la invencion, el acoplador direccional fotonico, adicionalmente puede comprender un microprocesador conectado al primer desfasador y al segundo desfasador para la activation de los mismos, donde el microprocesador calcula el cambio en el coeficiente de propagation fa de la primera gula de ondas para obtener el factor de acoplo y donde dicho microprocesador tambien calcula la variation simultanea del coeficiente de propagacion fa de la primera gula de ondas y coeficiente de propagacion fa de la segunda gula de ondas para obtener el desfase. Opcionalmente, el microprocesador puede estar adicionalmente conectado al tercer desfasador para la activacion del mismo. Una vez calculados ambos coeficientes de propagacion con los que se obtiene el factor de acoplo y el desfase deseados, el microprocesador activara los desfasadores que actuaran sobre las gulas de ondas hasta que los coeficientes de propagacion fa y fa se correspondan con los calculados por el microprocesador.
En otra realizacion de la invencion, el microprocesador puede estar adicionalmente conectado a monitores de potencia optica total o parcial a una o ambas
salidas del acoplador direccional fotonico para la lectura y calculo del factor de acoplo "K” actual (instantaneo). Los monitores de potencia optica pueden ser de potencia optica total o parcial.
En un segundo aspecto de la invention, se divulgan diferentes usos del acoplador direccional fotonico del primer aspecto de la invencion. Por tanto, se divulga el uso del acoplador direccional fotonico definido en una cualquiera de las realizaciones del primer aspecto de la invencion en circuitos PIC (Controlador programable de interrupciones), en resonadores acoplados, en un interferometro Mach-Zehnder y en estructuras fotonicas seleccionadas entre estructuras triangulares, cuadradas, hexagonales y de mallas.
Las ventajas del acoplador direccional fotonico de la presente invencion:
• Puede proporcionar operaciones de division del haz de luz con valores de acoplamiento reconfigurables as! como permitir una configuration independiente del cambio de fase.
• Se puede llevar a cabo por elementos que se pueden integrar en un chip, y por tanto, es totalmente integrable.
• Si se implementa como Unidad Basica Sintonizable (Tunable Basic Unit) en estructuras de mallas de gulas de ondas, permite la optimization de las mallas en terminos de perdidas de potencia y resolution espacial. Esto tiene un impacto directo sobre el rendimiento de toda la malla, permitiendo la realizacion de dispositivos mas complejos y operaciones en frecuencias mas altas.
• Puede ser programado para proporcionar disenos de filtros opticos plenamente reconfigurables y sintonizables, y corregir o superar errores de fabricacion.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS FIG. 1.- Muestra un ejemplo de realization de un acoplador direccional fotonico segun la presente invencion en section (Fig. 1a), en planta (Fig. 1b) y en 3D (Fig. 1c).
FIG. 2a.- Muestra la variation del factor de acoplo en funcion del incremento igualitario en los coeficientes de propagation de las gulas de ondas con el acoplador direccional fotonico de la presente invencion.
FIG. 2b.- Muestra la variacion del desfase en funcion del incremento igualitario en los coeficientes de propagacion de las gulas de ondas con el acoplador direccional fotonico de la presente invencion.
FIG. 3a.- Muestra dos resonadores acoplados mediante el acoplador direccional fotonico de la presente invencion.
FIG. 3b.- Muestra la aplicacion del acoplador direccional fotonico de la presente invention en un interferometro Mach-Zehnder.
FIGs. 4a a 4d.- Muestra diferentes estructuras en las que se puede aplicar el acoplador direccional fotonico de la presente invencion. Fig. 4a: triangular, Fig. 4b: cuadrada; Fig. 4c: hexagonal y Fig.4d: de mallas.
FIG. 5.- Muestra el acoplador direccional fotonico de la presente invencion con tres desfasadores, donde uno de ellos se encuentra a la entrada o a la salida de las gulas de ondas.
FIG. 6.- Muestra una realization de laboratorio para mediciones experimentales del acoplador direccional fotonico de la presente invencion.
DESCRIPCION DE UNA FORMA DE REALIZACION DE LA INVENCION
A continuation se detalla una forma de realizacion de la invencion de acuerdo a las figuras mostradas.
La figura 1 muestra un ejemplo de realizacion de un acoplador direccional fotonico segun la presente invencion donde se observa un desfasador por cada gula de ondas. Concretamente, la figura 1c muestra el acoplador direccional fotonico 1 que comprende dos gulas de ondas 4 y 5 dentro de un revestimiento 9, el cual se situa sobre el substrato 8. Sobre cada una de las gulas de ondas se situan sendos desfasadores 6 y 7. Las gulas de ondas 4 y 5 tienen sus entradas 2a y 2b, respectivamente, y sus salidas 3a y 3b, respectivamente. Cualquiera de las entradas 2a y 2b puede estar conectada a una fuente de luz que suministrara una senal de entrada 10 con una potencia optica determinada. Para el caso concreto en que la entrada 2a este alimentada por la senal de entrada 10, a la salida 3a se obtendra la senal directa 11a y a la salida 3b se obtendra la senal acoplada 11b cuya potencia y fase dependeran del factor de acoplo K con la senal de entrada, tal y como se conoce en el estado de la tecnica (estando los desfasadores desconectados). En la figura 1b se muestra una vista en planta del acoplador direccional fotonico 1 pero solo se muestran las gulas de ondas 4 y 5 y los desfasadores 6 y 7. En la figura 1b tambien se muestra como depende el acoplamiento A,(z) entre senales propagandose por las gulas de ondas entre z=0 y y z=Lc. Por ultimo, en la figura 1a se muestra una vista en section del acoplador direccional fotonico 1 en el que se muestra el substrato 8, sobre el que se deposita el revestimiento 9 que incluye las dos gulas de ondas 5 y 6 dispuestas paralelamente y separadas una distancia "g”, y finalmente, sobre el revestimiento 9, se situan los desfasadores 6 y 7 de anchura "w” paralelos entre si y distanciados una distancia "d”. En el caso particular del acoplador direccional fotonico mostrado en la figura 1, la union virtual de las gulas de ondas 5 y 6 formarla un plano
paralelo al plano virtual formado por los desfasadores 6 y 7. Como se observa en la figura 1a, cada desfasador tiene un radio de accion 12a, 12b sobre la gula de ondas sobre la que se situa.
El efecto de cada desfasador sobre su correspondiente gula de ondas se conoce como “sintonizacion” y actualmente existen distintas tecnologlas de sintonizacion. El objetivo de las tecnologlas de sintonizacion es modificar la fase de la senal (optica) que circula por la gula de ondas. Este efecto se consigue mediante la modification de las propiedades opticas de la gula de ondas. La gran mayorla de elementos de sintonizacion requieren alimentation electronica que ha de ser guiada hasta el dispositivo integrado. Dependiendo de la flsica que hay detras del efecto, algunos ejemplos de sintonizacion son: “termo-opticos”: el desfase se produce mediante la modificacion local de la temperatura. Este efecto se puede producir haciendo pasar una corriente por una capa metalica cercana al nucleo de la gula y liberando as! calor; electro-opticos: El paso de corriente electrica por la propia gula produce una modificacion en sus propiedades de propagacion produciendo el desfase deseado; “efectos capacitivos, electromecanicos, MEMs.”: se modifican las propiedades geometricas de la gula o la presion en alguno de sus materiales para alterar/producir un desfase; “sintonizacion optica”: se utiliza una senal optica de bombeo o sintonizacion para que interfiera con la senal objetivo.
Respecto de los valores de “g” o “w” antes indicados, estos dependeran de varios factores como las tecnologlas de sintonizacion previamente descritas y/o de las tecnologlas de fabrication (“Silicon on Insulator”, “Silica”, “Silicon nitride”, “Indium Phospore”, “Lithium Niobate on Silicon”). Valores tipicos de “w” y “g” se situan entre 0,6 pm y 1,6 pm.
Con la configuration mostrada en la figura 1 y para cualquier tecnologla de sintonizacion previamente descrita, el acoplador direccional fotonico 1 de la presente invention consigue variar los coeficientes de propagation p1 y j32 de las gulas de ondas mediante la accion de los desfasador 6 y 7 para sintonizar el factor de acoplo (K) y el desfase de forma independiente entre las senales que se propagan por las gulas de ondas 4 y 5.
Para conseguir el valor del factor de acoplo deseado entre la senal transmitida y la senal acoplada, basta con sintonizar (cambiar el coeficiente de propagacion #) de una de las gulas de ondas de tal manera que se genere una diferencia entre los coeficientes de propagacion de las gulas de ondas. Dicho de otro modo, si se mantiene la diferencia entre los coeficientes de propagacion constante, el coeficiente de propagacion se mantiene constante. Por otro lado, el cambio en el coeficiente de propagacion $ conlleva un cambio de fase (desfase) de la senal que circula por la gula
de ondas. Si se desea un desfase concreto, diferente al que se genera al obtener el factor de acoplo deseado, bastarla con modificar los coeficientes de propagation fai en la misma proportion.
Para llevar a cabo lo anterior, los desfasadores 6 y 7 se pueden conectar a un microprocesador (no mostrado) que sera el encargado de calcular el cambio en el coeficiente de propagacion fa1 de la gula de ondas 4 para obtener el factor de acoplo deseado y tambien de calcular la variation simultanea del coeficiente de propagacion fa de la gula de ondas 4 y coeficiente de propagacion fa2 de la gula de ondas 5. Una vez calculados ambos coeficientes de propagacion con los que se obtiene el factor de acoplo y el desfase deseados, el microprocesador activara los desfasadores 6 y 7 que actuaran sobre las gulas de ondas 4 y 5 hasta que los coeficientes de propagacion fa1 y fa2 se correspondan con los calculados por el microprocesador. Adicionalmente, el microprocesador puede estar conectado a un monitor de potencia optica (no mostrado), el cual se conectan a una o ambas salidas del acoplador direccional fotonico para la lectura y calculo del factor de acoplo "K” de forma instantanea.
En las figuras 2a y 2b se puede observar que, mediante el acoplador direccional fotonico de la presente invention, el factor de acoplo (Coupling Factor (K)) se mantiene constante a medida que aumenta Aneff,common (figura 2a) y que el desfase crece a medida que aumenta Aneffcommon (figura 2b). Recordemos que neff = (faa fap)2n/A, y por tanto, Anef^ ommon = [((faal fapi)2RA) - (faa2 + fap2) 2 H/^)]. Por tanto, los cambios de fa1 y fa2 modifican el valor de faa (parte activa).
En las figuras 3a y 3b, se muestran aplicaciones del acoplador direccional fotonico de la presente invencion a disenos de circuitos PIC (del ingles, Circuito Integrado Fotonico) tlpicos. En concreto, la figuras 3a muestra el acoplador direccional fotonico aplicado a dos resonadores 13a, 13b acoplados, y la figura 3b muestra el acoplador direccional fotonico aplicado a un interferometro Mach-Zehnder 14. En ambos casos, el factor de acoplo puede ser programado accediendo y modificando la alimentation de cada desfasador. El desfasador que tlpicamente se encuentra en uno de los brazos del Mach-Zehnder puede ser, por ejemplo sustituido si contamos con el tercer acoplador en el diseno del TDC.
Otra aplicacion de gran relevancia del acoplador direccional fotonico en PICs particularmente interesante es el campo de las "mallas de guias de ondas”. De manera similar al modo de operation de las FPGAs (matriz de puertas programables o “fieldprogrammable gate array" en ingles), los PIC programables que implementan divisores de haz multipuerto pueden configurarse mediante la discretization de circuitos convencionales en una estructura de mallas de gulas de ondas prefabricadas de pares de gulas de ondas acopladas, conocidas como Unidades Basicas Sintonizables (TBU).
Al configurar cada TBU, se puede lograr una interferencia constructiva, destructiva o parcial en cada puerto de salida complementary, lo que lleva al enrutamiento de la senal y la definicion de la topologla del circuito y los parametros de diseno. Si bien sacrifican el area, el consumo de energla y la ganancia optica, estos circuitos proporcionan una versatilidad y flexibilidad sin precedentes, lo que permite aplicaciones que no son posibles en un PIC estandar de aplicaciones especlficas. Las Figuras 4a a 4d ilustran diferentes combinaciones y topologlas de mallas de gulas de ondas que se han propuesto en la literatura para este proposito, donde se ha incluido el acoplador direccional fotonico de la presente invencion como TBU (“Unidad Basica Sintonizable”). Concretamente, la figura 4a muestra una estructura fotonica de estructura triangular 16, la figura 4b de estructura cuadrada 17, la figura 4c de estructura hexagonal 18 y la figura 4d de estructura de mallas 19 con flechas indicando la entrada y la salida.
Para programar extensos y complejos sistemas basados en estructuras de mallas de gulas de ondas, las perdidas moderadas de TBU (0.25 dB / TBU) degradan seriamente el rendimiento general del circuito. Para superar esta limitacion, la incorporacion del acoplador direccional fotonico de la presente invencion para reemplazar el diseno actual de TBU basado en dispositivos 3-dB MZI reduce las perdidas en circuitos de mallas de gulas de ondas programados, lo que lleva a cifras comparables a las de circuitos similares disenados utilizando ASPICs (del ingles “Application Specific Photonic Integrated Circuits”). Cuando se compara con el enfoque balanceado 3-dB MZI TBU, debido a la capacidad de miniaturizacion sin comprometer las perdidas, tambien se encuentra una triple mejora en tiempo de la resolucion.
Adicionalmente, el acoplador direccional fotonico de la presente invencion puede tener un tercer desfasador 15 como se muestra en la figura 5. Con el tercer desfasador 15 se puede incluir un desfase adicional e independiente del introducido por los desfasadores 6 y 7 sobre cualquiera de las senales que se propaguen a la salida o a la entrada de cualquiera de las gulas de ondas 4,5. De este modo, el tercer desfasador 15 puede situarse a la entrada (figuras 5a y 5c) o a la salida (figuras 5b y 5d) de las gulas de ondas 4,5.
Por ultimo, las figuras 6a y 6b muestran una fabricacion de laboratorio para medir resultados experimentales del acoplador direccional fotonico de la presente invencion. Se ha disenado y fabricado bajo un Multi Project Wafer (MPW) ejecutando un acoplador direccional fotonico como el de la presente invencion en una plataforma de nitruro de silicio, ilustrado en la Fig. 6a. Para las mediciones, se ha empleado un barrido laser sintonizable de 1520 a 1620 nm. seguido de un controlador de polarizacion antes de acceder al chip por medio de fibras opticas. Los datos fueron
adquiridos por un analizador de espectro optico para cada valor de potencia electrica programado.
En este caso, se empleo una guia de onda mono-modo de 1 pm de ancho y 300 nm de altura para propagar un campo TE Transversal Electrico). El espacio entre las guias de ondas (g) se ajusto a 1,5 pm, lo que llevo a una longitud de acoplamiento total teorica de 717 pm. Sin embargo, se decidio aumentar la longitud del acoplador final L a 1235 pm para aumentar la seguridad de los sintonizadores termicos (desfasadores) y verificar el modelo analrtico en lugar de encontrar un estado de cruce pasivo perfecto, y antes de proceder a una ronda de optimization. Para la capa de metal, se considero una distancia entre desfasadores (d) de 2 pm. La diafonia optica se mantuvo entre 15 y 21 dB para las operaciones cruzadas y directas, mientras se obtema un ancho de banda > 5 nm para una uniformidad de ± 2%. El exceso de perdida total fue insignificante y se estima que esta por debajo de 0.1 dB. La Fig. 6b ilustra el cambio en el factor de acoplo en potencia K frente a la corriente electrica aplicada en cuatro longitudes de onda diferentes. El modelo fue validado y predice errores de fabricacion en el rango de ancho de 15 nm y variacion de separacion de 70 nm.
Para el acoplador direccional fotonico mostrado en la figura 6a, el consumo de energia necesario para la reconfigurabilidad del factor de acoplamiento de 1 a 0 es mayor que en un enfoque MZI convencional si se emplea un mecanismo de ajuste termico (es decir, se mide un consumo de energia de 270 mW para el enfoque MZI y se estima 460 mW para el enfoque TDC en la misma plataforma de integration). La razon detras de esto es la proximidad de las dos guias de onda y la interferencia termica no optimizada resultante que afecta mas seriamente al cambio de fase comun mas que al cambio de fase diferencial. Sin embargo, si la estructura se optimiza en consecuencia cambiando "d” y "g”, el consumo de energia electrica puede reducirse considerablemente. Con el estado de la tecnica, se podrian lograr TDC con capacidades de desplazamiento de fase de menos de 700 pm y 100 pm en nitruro de silicio y silicio en plataformas aislantes, respectivamente, que representan una disminucion de mas de tres veces la longitud con respecto a los enfoques TBU basados en MZI. Ademas, los mecanismos de ajuste alternativos como el efecto electromecanico parecen una option prometedora para lograr TDC de baja potencia, baja perdida y mas cortos.
Claims (11)
1. - Acoplador direccional fotonico (1) con sintonizacion independiente de factor de acoplo y desfase, que comprende:
• una primera gula de ondas (4) con Indice de propagation p1 y una segunda gula de ondas (5) con Indice de propagacion &;
• una entrada (2a) y una salida (3a) en la primera gula de ondas (4) y una entrada (2b) y una salida (3b) en la segunda gula de ondas (5);
• un primer desfasador (6), situado a una distancia predeterminada de la primera gula de ondas (4), configurado para modificar el coeficiente de propagacion p1 de la primera gula de ondas (4);
caracterizado porque adicionalmente comprende:
• un segundo desfasador (7), situado a una distancia predeterminada de la segunda gula de ondas (5), configurado para modificar el coeficiente de propagacion j32 de la segunda gula de ondas (5);
estando el primer desfasador (6) y el segundo desfasador (7) configurados de tal forma que mediante la modification independiente del coeficiente de propagacion p1 y del coeficiente de propagacion j32, respectivamente, se sintoniza un factor de acoplo (K) entre una senal optica a la entrada (2a, 2b) de una de las gulas de ondas (4,5) y unas senales opticas a las salidas (3a, 3b) de ambas gulas de ondas (4,5), y mediante la modificacion igualitaria y simultanea del coeficiente de propagacion p1 y del coeficiente de propagacion j32, respectivamente, se sintoniza el desfase comun en las senales opticas a las salidas (3a, 3b) de ambas gulas de ondas (4,5).
2. - Acoplador direccional fotonico (1), segun la reivindicacion 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un substrato (8) y un revestimiento (9); donde el revestimiento (9) se situa sobre el substrato (8), el cual interiormente comprende al menos la primera gula de ondas (4) y la segunda gula de ondas (5); estando el primer desfasador (6) y el segundo desfasador (7) situados sobre el revestimiento (9).
3. - Acoplador direccional fotonico (1), segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque adicionalmente comprende un tercer desfasador (15), situado en una entrada (2a, 2b) de una de las gulas de ondas (4,5), donde el tercer desfasador (15) esta configurado para introducir un desfase anterior al desfase introducido por el primer desfasador (6) y el segundo desfasador (7).
4. - Acoplador direccional fotonico (1), segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque adicionalmente comprende un tercer desfasador (15), situado en una salida (3a, 3b) de una de las gulas de ondas (4,5), donde el tercer desfasador (15) esta configurado para introducir un desfase posterior al desfase introducido por el primer desfasador (6) y el segundo desfasador (7).
5. - Acoplador direccional fotonico (1), segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende un microprocesador conectado a primer desfasador (6) y al segundo desfasador (7) para la activacion de los mismos, donde el microprocesador calcula el cambio en el coeficiente de propagation p1 de la primera gula de ondas (4) para obtener el factor de acoplo K y donde dicho microprocesador tambien calcula la variation simultanea del coeficiente de propagacion p1 de la primera gula de ondas (4) y coeficiente de propagacion fi2 de la segunda gula de ondas (5) para obtener el desfase.
6. - Acoplador direccional fotonico (1), segun las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el microprocesador esta adicionalmente conectado al tercer desfasador (15) para la activacion del mismo.
7. - Acoplador direccional fotonico (1), segun la reivindicacion 5, caracterizado porque el microprocesador esta adicionalmente conectado a monitores de potencia optica a una o ambas salidas del acoplador direccional fotonico para la lectura y calculo del factor de acoplo “K” actual.
8. - Uso del acoplador direccional fotonico definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en Circuitos Integrados Fotonicos “PIC”.
9. - Uso del acoplador direccional fotonico definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en resonadores (13a, 13b) acoplados.
10. - Uso del acoplador direccional fotonico definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en un interferometro Mach-Zehnder (14).
11. - Uso del acoplador direccional fotonico definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en estructuras fotonicas seleccionadas entre estructuras triangulares (16), cuadradas (17), hexagonales (18) y de mallas (19).
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