WO2015036635A1 - Dispositivo óptico integrado en miniatura - Google Patents

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WO2015036635A1
WO2015036635A1 PCT/ES2014/070611 ES2014070611W WO2015036635A1 WO 2015036635 A1 WO2015036635 A1 WO 2015036635A1 ES 2014070611 W ES2014070611 W ES 2014070611W WO 2015036635 A1 WO2015036635 A1 WO 2015036635A1
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optical
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waveguide
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PCT/ES2014/070611
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Pascual MUÑOZ MUÑOZ
José David DOMÉNECH GÓMEZ
José CAPMANY FRANCOY
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Universitat Politècnica De València
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    • G02B6/2935—Mach-Zehnder configuration, i.e. comprising separate splitting and combining means
    • G02B6/29352—Mach-Zehnder configuration, i.e. comprising separate splitting and combining means in a light guide

Definitions

  • the object of the present invention relates to an integrated optical device for use in waveguides for spectral analysis of signals in optical bands, ie spectrometers and / or to implement interrogators of sensors embedded in aircraft, buildings and trains.
  • the present invention finds special application in the field of the telecommunications industry, specifically for spectrometry and interrogation of sensors.
  • spectrometers are developed based on an AWG (Arrayed Waveguide Grating) whose input is a signal that covers the entire optical bandwidth and each of the outputs offers a part of the spectrum.
  • AWG Arrayed Waveguide Grating
  • MZ Mach Zehnder Interferometer
  • This type of spectrometer requires: «a large number of electronic contacts to operate all MZIs in parallel,
  • the present invention solves the problems of the prior art mentioned above, providing a device that has the following advantages: 1. Lower cost because the integration is greater than in other systems.
  • the invention relates to a miniature integrated optical device comprising:
  • a Mach-Zehnder Interferometer comprising a multimode optical coupler, a first waveguide of length L + AL and a second waveguide of length L, the first waveguide and the second waveguide being coupled to the output of the multimode optical coupler, and
  • Mach-Zehnder Interferometer is connected at its output to a block selected from:
  • the second waveguide comprises an electronic thermo-optical control which in turn comprises a phase actuator that introduces a ⁇ offset in an optical signal that circulates through the second waveguide.
  • the "Arrayed Waveguide Grating" AWG presents a configuration where the separation between the first waveguide and the second waveguide at the AWG input is Axi
  • the IC-AWG may comprise:
  • the output subsets are the even and odd output subsets and where an Ac offset between the even subset and the odd subset is introduced.
  • the miniature integrated optical device may comprise:
  • the independent and balanced photodetectors are selected from photodetectors integrated in the optical device and photodetectors external to the optical device.
  • a method of estimating the spectrum of optical signals using the integrated miniature optical device comprising the following phases is also described: i) introducing a wavelength optical input signal ⁇ 0 into the multimode optical coupler,
  • Figures 4a and 4b Correspond to the "MZ-IC-AWG" of the second embodiment where the phase relationship for the outputs labeled Oi_ and as 0 R is shown taking in the figure an arbitrary ⁇ where the components P and I correspond to the contributions of even and odd subsets, respectively.
  • the subscript L corresponds to the input used for i L (7a) and the subscript R corresponds to the input used for i R (7b).
  • MZ Mach-Zehnder Interferometer
  • Multimode coupler (MMI).
  • the elements that make up said integrated optical device are formed by:
  • a "MZ" Mach-Zehnder Interferometer (2) based on an MMI multimode optical coupler (6) connected to two waveguides (10, 1 1) of different length, a first waveguide (10) whose length is L + AL and a second waveguide (1 1), whose length is L.
  • the MMI multimode optical coupler (6) functions as a power splitter of the same optical signal ⁇ 0 .
  • the Mach-Zehnder Interferometer "MZ" (2) comprises a second waveguide (1 1) incorporating an electronic control (12), comprising a phase actuator ⁇ that modifies the propagation of the signal by the second waveguide (1 1) obtaining at the output a certain offset, ⁇ , with respect to the first waveguide (10).
  • the electronic control (12) used in the present invention is a thermo-optical control preferably, although there are of various types and any other could be used.
  • the "MZ" is characterized by having a wavelength selectivity inversely proportional to the relative delay (given by the time it takes for the light to travel along the AL waveguide section) between the first waveguide (10) and the second waveguide (1 1).
  • the frequency response is periodic, from period P1.
  • the transfer function has a cosenoidal form. This implies that at one end, maximum of the cosine, maximum transmission of light is obtained (wavelengths that pass), and in the other, minimum of the cosine, signal cancellation is obtained.
  • the maximum / minimum value can be tuned through the ⁇ phase actuator of the electronic control (12).
  • An Arrayed Waveguide Grating (AWG) (3) a device that is generally used as a separator of different wavelengths, ⁇ , in optical bands.
  • Each wavelength, from one input, is carried to different outputs, as is well known.
  • the number of outputs is determined by the particular design of the AWG (3).
  • This margin is known as the channel's optical bandwidth and is represented by AAc (with channel 'c').
  • This channel width is designed to be less than the difference between two consecutive channels, and can be expressed as AAc ⁇
  • the two waveguides (10, 1 1) of different lengths connected to the MMI multimode coupler (6) are placed so that when connected to the AWG (3), the same frequency is collected at the AWG output port (3) of the signals introduced.
  • the response of the AWG (3) is periodic of period P2.
  • the configuration of the central waveguides (9) is performed by interleaved groups of waveguides, M subsets, such that, for each wavelength at the ⁇ 0 input, the Energy is divided between M possible outputs.
  • the optical phase at ⁇ 0 of a subset differs an arbitrary amount of the optical phase to ⁇ 0 from the other subsets.
  • the phase difference introduced allows obtaining new functionalities, such as spectrometry or sensor interrogation.
  • FSR spectral selectivity
  • the design phase it is when the device (1) is adapted, since each final application of the device (1) may require a different spectral selectivity, FSR, therefore different designs of the MZ-AWG and MZ-IC-AWG assemblies . For this reason, for each of the identified applications, spectrum analyzer and interrogators, you could have a family of products.
  • the multimode optical coupler (6) divides the optical input signal into two copies of said optical input signal with half the power, with i L (7a) passing through the first waveguide (10) and R (7b) through the second waveguide (1 1). He electronic control (12) of the second waveguide (1 1), introduces an offset ⁇ in i R (7b). Finally, i L (7a) and i R (7b) are introduced in the block selected between the "Arrayed Waveguide Grating" AWG (3) and the "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5), obtaining at the exit of said block a band of the spectrum of the optical input signal.
  • the light signals at the output of the MZ-AWG can be photodetected to become electrical signals, either with photodetectors in the same device (1) or external.
  • the light signals at the output of the MZ-IC-AWG can be photodetected to become electrical signals, either with photodetectors in the same device or external.
  • this second embodiment it is possible to use:
  • the figure shows the phase relationship for the output labeled 0 L (8a) represented in Figure 2.
  • Components P and I correspond to the contributions of the even and odd subsets, respectively .
  • the subscript L corresponds to the input used for i L (7a) and the subscript R corresponds to the input used for i R (7b).
  • Component V L is the resulting vector of all contributions due to inputs and subsets at output L.
  • V R component is the resulting vector of all contributions due to inputs and subsets at output R.
  • the module of V L and V R is represented in Figure 5 for different values of the phase actuator ⁇ of electronic control (12), where it is observed that they are complementary sinusoidal functions (eg sine and cosine).
  • MZ Mach-Zehnder Interferometer
  • the signal at or R (8c) which is also a combination of the six signals, two for each subset 1, two for each subset 2 and two for each subset 3, from the two input copies. It is also possible to introduce a gap between the subsets, called chirp [Ac-i, Ac 2 ], so that the chirp will be introduced between subset 1, continuous line, and subset 2, dashed line, so that the optical phase at ⁇ 0 a quantity Ac-i will differ, and between subset 1, solid line, and subset 3, dotted line, the optical phase at ⁇ 0 will differ a quantity Ac 2 .
  • Figure 3 shows how the use of a wavelength in an input waveguide causes the wavelength introduced by both input waveguides (10, 1 1) to be focused on three different output subsets. This wavelength focused on three different output subsets has a phase relationship dependent on the input waveguide.
  • the light signals at the output of the MZ-IC-AWG can be photodetected to become electrical signals, either with photodetectors in the same device or external.
  • the independent photodetector converts the optical signal to the electrical domain, so that to obtain the difference between the signals it is necessary to perform a differential optical processing.
  • the balanced photodetector basically consists of two independent photodetectors connected in a specific way, so that it performs the conversion of the optical signals to the electrical domain but also this configuration performs the differential processing at the same time, so that the difference between both signals is obtained directly in the electrical domain without the need for differential electronic processing.

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Abstract

Dispositivo óptico integrado (1) en miniatura compuesto por un Interferometro Mach- Zehnder (2) que comprende un acoplador óptico multimodo (6), una primera guía de onda (10) de longitud Ι_+ΔΙ_ y una segunda guía de onda (11) de longitud L, estando la primera guía de onda (10) y la segunda guía de onda (11) acopladas a la salida del acoplador óptico multimodo (6), y donde el Interferometro Mach-Zehnder (2) está conectado a su salida a un bloque seleccionado entre: un "Arrayed Waveguide Grating", AWG (3) con una separación determinada entre las guías de onda (10, 11) y un "Interleave-Chirped AWG", IC-AWG (4, 5) con una separación determinada entre las guías de ondas (10, 11). Lo que se consigue con este dispositivo (1 ) es que en cada salida se tenga una pequeña banda del espectro, es decir se tiene un dispositivo (1) de múltiples canales.

Description

DISPOSITIVO ÓPTICO INTEGRADO EN MINIATURA
DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo óptico integrado para utilizar en guías de onda para análisis espectral de señales en bandas ópticas, es decir espectrómetros y/o para implementar interrogadores de sensores embarcados en aeronaves, edificios y trenes.
Con esta tecnología, se dispone de un dispositivo que presenta muy buen funcionamiento en entornos de trabajo que requieren extrema estabilidad y alta precisión. La presente invención encuentra especial aplicación en el ámbito de la industria de las telecomunicaciones, específicamente para espectrometría e interrogación de sensores.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente se desarrollan espectrómetros basados en un AWG (Arrayed Waveguide Grating) cuya entrada es una señal que abarca toda la anchura de banda óptica y cada una de las salidas ofrece una parte del espectro. Cada una de estas salidas viene seguida de un Interferómetro Mach Zehnder (MZ), tantos MZIs como puertos de salida tiene el AWG, donde mediante un control electrónico es posible hacer un ajuste fino dentro de cada una de las porciones de espectro de la correspondiente salida del AWG.
Este tipo de espectrómetros requieren: « un gran número de contactos electrónicos para operar todos los MZIs en paralelo,
• un gran esfuerzo para estabilizar los MZIs térmicamente, y
• son de gran tamaño, siendo muy costosos a la hora de su fabricación en un dispositivo integrado, ya que el coste es por área. Por tanto, la presente invención viene a solucionar los problemas del estado de la técnica anteriormente mencionados, proporcionando un dispositivo que presenta las siguientes ventajas: 1. Menor coste debido a que la integración es mayor que en otros sistemas.
2. Menor tamaño de los dispositivos y mayor precisión.
3. Menor coste de actuación debido a la necesidad de actuar sólo sobre un MZI.
Estas ventajas se obtienen a costa de poder actuar sólo sobre una porción del espectro en cada momento, ya que el funcionamiento de dicho dispositivo es de forma secuencial.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a dispositivo óptico integrado en miniatura que comprende:
- un Interferómetro Mach-Zehnder que comprende un acoplador óptico multimodo, una primera guía de onda de longitud L+AL y una segunda guía de onda de longitud L, estando la primera guía de onda y la segunda guía de onda acopladas a la salida del acoplador óptico multimodo, y
donde el Interferómetro Mach-Zehnder está conectado a su salida a un bloque seleccionado entre:
- un "Arrayed Waveguide Grating", AWG con una separación determinada entre las guías de onda y
- un "Interleave-Chirped AWG", IC-AWG con una separación determinada entre las guías de ondas.
La segunda guía de onda comprende un control electrónico de tipo termoóptico que a su vez comprende un actuador de fase que introduce un desfase ΔΦ en una señal óptica que circula por la segunda guía de onda. El "Arrayed Waveguide Grating" AWG presenta una configuración donde la separación entre la primera guía de onda y la segunda guía de onda a la entrada del AWG es Axi
= AXFSR.
El "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG presenta una configuración donde la separación entre la primera guía de onda y la segunda guía de onda a la entrada del IC-AWG es Δχί = AXFSR M, donde M es el número de subconjuntos con sus respectivas fases ópticas a λ0 de salida del IC-AWG, siendo 1 <M<4.
El IC-AWG puede comprender:
- M=2 subconjuntos de salida, donde los subconjuntos de salida son los subconjuntos de salida par e impar y donde se introduce un desfase Ac entre el subconjunto par y el subconjunto impar. En una realización particular el desfase Ac entre el subconjunto par y el subconjunto impar es Ac=90°, o
- M=3 subconjuntos de salida, donde los subconjuntos de salida son el subconjunto 1 , el subconjunto 2 y el subconjunto 3 y donde se introduce un desfase [Ac1 , Ac2] entre los subconjuntos 1 , 2 y 3, de manera que Ac1 se introduce entre el subconjunto 1 y el subconjunto 2, y Ac2 entre el subconjunto 1 y el subconjunto 3. En una realización particular el desfase Ac1 introducido entre el subconjunto 1 y el subconjunto 2 es Ac1 =120° y el desfase Ac2 introducido entre el subconjunto 1 y el subconjunto 3 es Ac2= 0o. El dispositivo óptico integrado en miniatura puede comprender:
un fotodetector independiente conectado a cada salida del "Arrayed Waveguide Grating" AWG de forma que realiza una conversión de la señal óptica de salida a una señal eléctrica, o
un fotodetector independiente conectado a cada salida del "Interleave Chirped AWG", IC-AWG, de forma que realiza una conversión de la señal óptica de salida a una señal eléctrica y se calcula de forma externa al dispositivo la diferencia entre las señales eléctricas en el dominio eléctrico mediante un procesado electrónico diferencial, o
- un fotodetector balanceado conectado a cada salida del "Interleave
Chirped AWG", IC-AWG, de forma que realiza una conversión de la señal óptica de salida a una señal eléctrica y calcula la diferencia entre las señales en el dominio eléctrico en un solo paso. Los fotodetectores independientes y balanceados están seleccionados entre fotodetectores integrados en el dispositivo óptico y fotodetectores externos al dispositivo óptico. También se describe un método de estimación del espectro de señales ópticas que hace uso del dispositivo óptico integrado en miniatura que comprende las siguientes fases: i) introducir una señal óptica de entrada de longitud de onda λ0 en el acoplador óptico multimodo,
ii) dividir la señal óptica de entrada mediante el acoplador óptico multimodo en dos copias, iL e iR, de dicha señal óptica de entrada con la mitad de potencia transcurriendo iL por la primera guía de onda e iR por la segunda guía de onda ,
iii) introducir un desfase ΔΦ en iR mediante el control electrónico de la segunda guía de onda,
iv) introducir iL e iR en el bloque seleccionado entre el "Arrayed Waveguide Grating" AWG y el "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG obteniéndose a la salida de dicho bloque una banda del espectro de la señal óptica de entrada. Cuando el bloque seleccionado es un Arrayed Waveguide Grating", AWG, a la salida del AWG se obtiene una única señal óptica de salida oR correspondiente a la combinación de las señales iL e iR introducidas en el AWG con un desfase relativo entre iL e iR de 360°. Cuando el bloque seleccionado es un Interleave-Chirped AWG", IC-AWG, con M=2, a la salida del IC-AWG se obtienen dos señales de salida donde cada señal de salida oL y oR es una combinación de cuatro señales, dos por cada subconjunto par e impar, provenientes de las señales iL e iR introducidas en el IC-AWG. Cuando el bloque seleccionado es un Interleave-Chirped AWG", IC-AWG, con M=3, a la salida del IC-AWG se obtienen tres señales de salida donde cada señal de salida oL, oc y oR es una combinación de seis señales, dos por cada subconjunto 1 , 2 y 3, provenientes de las señales iL e iR introducidas en el IC-AWG. También se describe el uso del dispositivo óptico integrado en miniatura en un equipo seleccionado entre un espectrómetro y un interrogador de sensores.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en dónde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La Figura 1.- Muestra una vista esquemática de una primera realización del dispositivo óptico integrado objeto de la invención, donde se aprecia un "MZ-AWG", combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico, MZ, compuesto por un acoplador y un AWG con dos guías de onda de entrada separadas una distancia Δχ = AXFSR. La Figura 2.- Muestra una segunda realización del dispositivo óptico integrado objeto de la invención, donde se aprecia un "MZ-IC-AWG", combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico, MZ, compuesto por un acoplador y un IC-AWG con dos guías de onda de entrada separadas una distancia Δχί = AXFSR/M, con M=2 subconjuntos y un chirp Ac arbitrario.
La Figura 3.- Correspondiente a una tercera forma de realización del dispositivo óptico integrado objeto de la invención, donde se aprecia un "MZ-IC-AWG", combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico, MZ, compuesto por un acoplador y un IC- AWG con Axi = AXFSR /M con M=3 subconjuntos y un chirp [Ac-i , Ac2].
Las Figuras 4a y 4b.- Corresponden al "MZ-IC-AWG" de la segunda forma de realización donde se muestra la relación de fases para las salidas etiquetadas como Oi_ y como 0R tomando en la figura un ΔΦ arbitrario donde las componentes P e I corresponden a las contribuciones de subconjuntos par e impar, respectivamente. El subíndice L corresponde a la entrada utilizada para iL (7a) y el subíndice R corresponde a la entrada utilizada para iR (7b).
La Figura 5.- Correspondiente al "MZ-IC-AWG" de la segunda forma de realización donde se muestra el módulo de VL y VR, vectores resultantes como suma de todas las contribuciones para distintos valores del actuador de fase ΔΦ del control electrónico. Se puede ver que son funciones sinusoidales complementarias (p.e. seno y coseno).
La Figura 6.- Correspondiente al "MZ-IC-AWG" de la tercera forma de realización donde se muestra el módulo de VL, Vc y VR, vectores resultantes como suma de todas las contribuciones para distintos valores del actuador de fase ΔΦ del control electrónico. Se puede ver que son tres funciones sinusoidales.
A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados las figuras que integran la invención:
1 . Dispositivo óptico integrado en miniatura.
2. Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico (MZ).
3. Arrayed Waveguide Grating" (AWG) con Δχί = AXFSR-
4. Interleave-Chirped AWG" (IC-AWG) con Axi = AXFSR 12
5. Interleave-Chirped AWG" (IC-AWG) con Axi = AXFSR /3
6. Acoplador multimodo (MMI).
7a. Señal de entrada iL.
7b. Señal de entrada iR.
8a. Señal de salida oL.
8b. Señal de salida oc.
8c. Señal de salida oR.
9. Guía ondas centrales.
10. Primera guía de onda.
1 1 . Segunda guía de onda.
12. Control electrónico.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Se trata de un dispositivo óptico integrado (1 ) para utilizar en guías de onda para análisis espectral de señales en bandas ópticas es decir espectrómetros o para implementar interrogadores de sensores embarcados en aeronaves, edificios y trenes.
- Los interrogadores de sensores que se implementan con esta configuración poseen:
a. La capacidad de monitorizar varias frecuencias en serie, ya que tienen la necesidad de monitorizar una estructura con gran cantidad de ruido e inestabilidades.
b. Presentan una mayor estabilidad y precisión en entornos hostiles, tales como entornos con gran cantidad de ruido o redes de sensores en aeronaves, edificios y trenes.
c. Menor coste debido a que la integración es mayor que en otros sistemas.
- Los analizadores de espectros que se implementan con esta configuración poseen:
d. Menor tamaño de los dispositivos y mayor precisión.
e. Menor coste debido a que la integración es mayor que en otros sistemas.
f. Mayor calidad del dispositivo y mayores prestaciones puesto que permite monitorizar distintas bandas ópticas en serie.
Los elementos que componen dicho dispositivo óptico integrado están formados por:
1. Un Interferómetro Mach-Zehnder "MZ" (2) basado en un acoplador óptico multimodo MMI (6) conectado a dos guías de onda (10, 1 1 ) de diferente longitud, una primera guía de onda (10) cuya longitud es L+AL y una segunda guía de onda (1 1 ), cuya longitud es L.
El acoplador óptico multimodo MMI (6) hace la función de divisor de potencia de la misma señal óptica λ0.
En la presente invención el Interferómetro Mach-Zehnder "MZ" (2) comprende una segunda guía de onda (1 1 ) que incorpora un control electrónico (12), que comprende un actuador de fase ΔΦ que modifica la propagación de la señal por la segunda guía de onda (1 1 ) obteniendo a la salida un determinado desfase, ΔΦ, respecto de la primera guía de onda (10).
El control electrónico (12) utilizado en la presente invención es un control de tipo termoóptico preferentemente, aunque hay de diversos tipos y podría usarse cualquier otro. El "MZ" se caracteriza por tener una selectividad en longitud de onda inversamente proporcional al retardo relativo (dado por el tiempo que tarda la luz en viajar por el tramo de guía de onda AL) entre la primera guía de onda (10) y la segunda guía de onda (1 1 ). La respuesta en frecuencia es periódica, de periodo P1 .
Dentro de un periodo espectral, la función de transferencia tiene forma cosenoidal. Ello implica que en un extremo, máximo del coseno, se obtiene máxima transmisión de la luz (longitudes de onda que pasan), y en el otro, mínimo del coseno, se obtiene anulación de la señal.
El valor del máximo/mínimo puede sintonizarse a través del actuador de fase ΔΦ del control electrónico (12).
Un Arrayed Waveguide Grating (AWG) (3), dispositivo que se emplea generalmente como separador de distintas longitudes de onda, λ, en bandas ópticas.
Cada longitud de onda, desde una entrada, es llevada a salidas diferentes, como es bien conocido. El número de salidas se determina por el diseño particular del AWG (3).
En las salidas del dispositivo AWG (3), no sólo se obtiene respuesta para la longitud de onda diseñada, sino que se obtiene también respuesta para un pequeño margen alrededor de ella. Este margen se conoce como anchura de banda óptica del canal y se representa mediante AAc (con 'c' de canal). Esta anchura de canal se diseña de forma que sea menor que la diferencia entre dos canales consecutivos, pudiendo ser expresado como AAc<| Ak- Ak-1 |, con k un número entero.
Las dos guías de onda (10, 1 1 ) de diferente longitud conectadas al acoplador multimodo MMI (6) se colocan de forma que al conectarlos al AWG (3), en el puerto de salida del AWG (3) se recoge la misma frecuencia de las señales introducidas. La respuesta del AWG (3) es periódica de periodo P2. La primera forma de realización que se explica más adelante, está basada en un caso particular del AWG (3) en la que la separación de las guías de onda de entrada (10, 1 1 ), Δχί, corresponde al periodo espacial de diseño del AWG (3) Δχί = AXFSR donde el FSR se refiere al "Free Spectral Range". El utilizar aquí Δχί = AXFSR es un hecho conocido en el estado del arte de forma que al introducir la misma longitud de onda por ambas guías de entrada (10, 1 1 , se obtiene respuesta en las mismas posiciones de salida. Un "Interleave-Chirped AWG", IC-AWG (4, 5), que es una técnica de diseño especial del AWG, se emplea en la segunda y tercera formas de realización, con una configuración de las guías de onda centrales (9) tal que produce que la misma frecuencia de entrada se corresponda con un número determinado de subconjuntos de salida.
En el IC-AWG (4, 5), la configuración de las guías de onda centrales (9) se realiza por grupos intercalados de guías de onda, M subconjuntos, tal que, por cada longitud de onda en la entrada λ0, la energía se divide entre M posibles salidas.
Además es posible introducir un desfase entre los subconjuntos, llamado chirp de manera que la fase óptica a λ0 de un subconjunto difiere una cantidad arbitraria de la fase óptica a λ0 de los otros subconjuntos. La diferencia de fase introducida permite obtener nuevas funcionalidades, tales como espectrometría o interrogación de sensores. En la fase de diseño es cuando se adapta el dispositivo (1 ), ya que cada aplicación final del dispositivo (1 ) puede requerir una selectividad espectral diferente, FSR, por tanto diseños diferentes de los conjuntos MZ-AWG e MZ-IC-AWG. Por este motivo, para cada una de las aplicaciones identificadas, analizador de espectros e interrogadores, se podría tener una familia de productos.
A continuación se presentan tres formas de realización donde inicialmente se introduce una señal óptica de entrada de longitud de onda λ0 en el acoplador óptico multimodo (6). El acoplador óptico multimodo (6) divide la señal óptica de entrada en dos copias de dicha señal óptica de entrada con la mitad de potencia, transcurriendo iL (7a) por la primera guía de onda (10) e iR (7b) por la segunda guía de onda (1 1 ). El control electrónico (12) de la segunda guía de onda (1 1 ), introduce un desfase ΔΦ en iR (7b). Finalmente se introduce iL (7a) e iR (7b) en el bloque seleccionado entre el "Arrayed Waveguide Grating" AWG (3) y el "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5) obteniéndose a la salida de dicho bloque una banda del espectro de la señal óptica de entrada.
Según una primera forma de realización, tal y como puede observarse en la Figura 1 :
A) Se observa un "MZ-AWG", combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico, MZ (2) compuesto por un acoplador multimodo (6) y un AWG (3) con dos guías de onda de entrada (10, 1 1 ) separadas una distancia Δχ = AXFSR, donde el FSR se refiere al "Free Spectral Range".
Además las señales de luz a la salida del MZ-AWG se pueden fotodetectar para convertirse en señales eléctricas, bien con fotodetectores en el mismo dispositivo (1 ) o externos.
En esta primera forma de realización se puede emplear: - un fotodetector independiente conectado a la salida del "Arrayed Waveguide
Grating" AWG (3) que realiza una conversión de la señal óptica de salida a una señal eléctrica.
Al introducir las dos copias de una misma señal óptica de entrada de longitud de onda λ0, ii_ (7a) e iR (7b), simultáneamente al MZ-AWG, a la salida se obtiene oR (8c), tal y como se puede ver en la Figura 1 , donde oR (8c) es la combinación de ambas señales iL (7a) e iR (7b), siendo la fase relativa entre dichas señales 360°, es decir, están en fase. En la figura 1 se muestra cómo la introducción de la misma longitud de onda por las dos guías de onda de entrada (10,1 1 ) desplazadas entre sí una distancia Δχ = AXFSR, provoca el apuntamiento en una misma salida.
Según una segunda forma de realización, tal y como puede observarse en la Figura 2: B) Se observa un "MZ-IC-AWG", combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico MZ (2) compuesto por un acoplador (6), un IC-AWG (4) con dos guías de onda de entrada (10, 1 1 ) separadas una distancia Δχί = AXFSR/M, con M=2 subconjuntos y un chirp Ac arbitrario, existiendo 2 subconjuntos de salidas por cada longitud de onda en la entrada, una salida sale por el subconjunto par, dibujado en línea continua, y la otra por el subconjunto impar, dibujado en línea discontinua.
Como M=2, al final se obtienen dos señales de salida:
- la señal en oL (8a), que es una combinación de cuatro señales, dos por cada subconjunto par e impar, provenientes de las dos señales idénticas de entrada, iL (7a) e iR (7b), y
- la señal en oR (8c), que es también una combinación de cuatro señales, dos por cada subconjunto par e impar, provenientes de las dos señales idénticas de entrada, iL (7a) e iR (7b).
Además es posible introducir un desfase entre los subconjuntos, llamado chirp, Ac, de manera que la fase óptica a λ0 del subconjunto par, difiere una cantidad Ac de la fase óptica a λ0 del subconjunto impar.
En esta segunda forma de realización, se introducen las dos copias de la misma señal óptica de entrada de longitud de onda λ0, ii_ (7a) e iR (7b), simultáneamente al IC-AWG (4) con AXÍ=AXFSR/2, de forma que para cada una de dichas dos señales idénticas, iL (7a) y iR (7b), se obtiene a su vez otras dos, es decir, un total de cuatro, dos por cada subconjunto par y dos por cada subconjunto impar.
La relación de fases entre las cuatro señales en cada salida, oL (8a) y oR (8c), detallada en las Figuras 4a y 4b, tomando un ΔΦ arbitrario en este caso.
El hecho de tener dos salidas, oL (8a) y oR (8c), para una misma frecuencia es necesario para determinadas aplicaciones, como por ejemplo espectrometría o interrogación de sensores. En este caso al tener dos salidas, oL (8a) y oR (8c), la selectividad espectral obtenida en cada salida es complementaria (en una salida coseno, en la otra seno). En la figura 2 se muestra cómo la longitud de onda introducida por ambas guías de onda de entrada (10, 1 1 ) provoca dos subconjuntos de salida diferentes, subconjunto par e impar. Esta longitud de onda enfocada en los dos subconjuntos de salida diferentes tiene una relación de fase dependiente de la guía de onda de entrada.
Además las señales de luz a la salida del MZ-IC-AWG se pueden fotodetectar para convertirse en señales eléctricas, bien con fotodetectores en el mismo dispositivo o externos. En esta segunda forma de realización se puede emplear:
- un fotodetector independiente en cada salida, oL (8a) y oR (8c), que realiza una conversión de cada señal óptica de salida del IC- AWG (4) a una señal eléctrica y se calcula de forma externa al dispositivo (1 ) la diferencia en el dominio eléctrico mediante un procesado electrónico diferencial, o
- un fotodetector balanceado en cada salida, oL (8a) y oR (8c), que realiza una conversión de cada señal óptica de salida del IC- AWG (4) a una señal eléctrica y calcula la diferencia entre ambas señales en el dominio eléctrico en un solo paso.
Tal y como se muestra en la figura 4a, la figura muestra la relación de fases para la salida etiquetada como 0L (8a) representada en la figura 2. Las componentes P e I corresponden a las contribuciones de los subconjuntos par e impar, respectivamente. El subíndice L corresponde a la entrada utilizada para iL (7a) y el subíndice R corresponde a la entrada utilizada para iR (7b).
La componente VL es el vector resultante de todas las contribuciones debidas a las entradas y subconjuntos en la salida L.
La componente VR es el vector resultante de todas las contribuciones debidas a las entradas y subconjuntos en la salida R. Para el caso de la figura 4b, ocurre exactamente lo mismo pero tomando ahora la salida etiquetada como 0R (8c) representada en la figura 2. C) Dentro de esta segunda forma de realización se tiene un caso particular para el que el parámetro de chirp del IC-AWG (4) es Ac=90° y se denomina "MZ-IC- AWG90", en este caso, el módulo de VL y VR se representa en la Figura 5 para distintos valores del actuador de fase ΔΦ del control electrónico (12), donde se observa que son funciones sinusoidales complementarias (p.e. seno y coseno).
Según una tercera forma de realización, tal y como puede observarse en la Figura 3:
Se observa un "MZ-IC-AWG" combinación de un Interferómetro Mach-Zehnder asimétrico (MZ) (2) compuesto por un acoplador (6) y un IC-AWG (5) con Δχί = AxFSR /M con M=3 subconjuntos y un chirp [Ac-i , Ac2], existiendo 3 subconjuntos de salidas por cada longitud de onda en la entrada, una salida sale por el subconjunto 1 , otra por el subconjunto 2 y otra por el subconjunto 3, luego hay 3 salidas por cada longitud de onda de entrada. Al introducir las dos copias de una misma señal óptica de entrada de longitud de onda λ0, ii_ (7a) e iR (7b), simultáneamente al IC-AWG (5) con AXÍ=AXFSR/3, para cada una de dichas dos señales idénticas, ii_ (7a) y ¡R (7b), se obtiene a su vez otras tres salidas, es decir, un total de seis. Como M=3, al final se obtienen tres señales de salida:
- la señal en oL (8a), que es una combinación de las seis señales, dos por cada subconjunto 1 , dos por cada subconjunto 2 y dos por cada subconjunto 3, provenientes de las dos copias de entrada ii_ (7a) y ¡R (7b),
- la señal en oc (8b), que es también una combinación de las seis señales, dos por cada subconjunto 1 , dos por cada subconjunto 2 y dos por cada subconjunto 3, provenientes de las dos copias de entrada, y
- la señal en oR (8c), que es también una combinación de las seis señales, dos por cada subconjunto 1 , dos por cada subconjunto 2 y dos por cada subconjunto 3, provenientes de las dos copias de entrada. Además es posible introducir un desfase entre los subconjuntos, llamado chirp [Ac-i , Ac2], de manera que el chirp se introducirá entre el subconjunto 1 , línea continua, y el subconjunto 2, línea discontinua, de forma que la fase óptica a λ0 diferirá una cantidad Ac-i , y entre el subconjunto 1 , línea continua, y el subconjunto 3, línea punteada, la fase óptica a λ0 diferirá una cantidad Ac2.
En la figura 3 se muestra cómo el uso de una longitud de onda en una guía de onda de entrada provoca que la longitud de onda introducida por ambas guías de ondas de entrada (10, 1 1 ) se enfoque en tres subconjuntos de salida diferentes. Esta longitud de onda enfocada en tres subconjuntos de salida diferentes tiene una relación de fase dependiente de la guía de onda de entrada.
Además las señales de luz a la salida del MZ-IC-AWG se pueden fotodetectar para convertirse en señales eléctricas, bien con fotodetectores en el mismo dispositivo o externos.
En esta tercera forma de realización se puede emplear: - un fotodetector independiente en cada salida 0L (8a) izquierda, Oc (8b) central y 0R (8c) derecha, que realiza una conversión de cada señal óptica de salida del IC- AWG (5) a una señal eléctrica y se calcula de forma externa al dispositivo (1 ) la diferencia independiente en el dominio eléctrico mediante un procesado electrónico diferencial, o
- un fotodetector balanceado en cada salida 0L (8a) izquierda, Oc (8b) central y 0R (8C) derecha, que realiza una conversión de cada señal óptica de salida del IC- AWG (5) a una señal eléctrica y calcula la diferencia entre las señales en el dominio eléctrico en un solo paso. Dentro de esta tercera forma de realización se tiene un caso particular para el que el parámetro de chirp del IC-AWG (5) es Ac=[120° , 0o] y se denomina "MZ- IC-AWG120", en este caso, el módulo de VL,VC y VR siendo VL el vector resultante de todas las contribuciones debidas a las entradas y subconjuntos en la salida L, VR el vector resultante de todas las contribuciones debidas a las entradas y subconjuntos en la salida R y Vc el vector resultante de todas las contribuciones debidas a las entradas y subconjuntos en la salida C tal y como se ve en la Figura 6 para distintos valores del actuador de fase ΔΦ del control electrónico (12).
Como se puede observar, se diferencian dos tipos de fotodetectores, fotodetector independiente y fotodetector balanceado. El fotodetector independiente realiza la conversión de la señal óptica al dominio eléctrico, de forma que para obtener la diferencia entre las señales es necesario realizar un procesado óptico diferencial. El fotodetector balanceado consta básicamente de dos fotodetectores independientes conectados de una forma específica, de forma que realiza la conversión de las señales ópticas al dominio eléctrico pero además esta configuración realiza el procesado diferencial al mismo tiempo, de forma que se obtiene la diferencia entre ambas señales directamente en el dominio eléctrico sin necesidad de realizar un procesado electrónico diferencial.
Lo que se consigue con este dispositivo (1 ) es que en cada salida, ya sea de 1 salida, 0R (8C), de 2 salidas, 0L (8a), 0R (8c), o de 3 salidas, 0L (8a), Oc (8b) y 0R (8c), se tenga una pequeña banda del espectro, es decir se tiene un dispositivo (1 ) de múltiples canales.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura caracterizado por que comprende:
- un Interferómetro Mach-Zehnder (2) que comprende un acoplador óptico multimodo (6), una primera guía de onda (10) de longitud Ι_+ΔΙ_ y una segunda guía de onda (1 1 ) de longitud L, estando la primera guía de onda (10) y la segunda guía de onda (1 1 ) acopladas a la salida del acoplador óptico multimodo (6), y
donde el Interferómetro Mach-Zehnder (2) está conectado a su salida a un bloque seleccionado entre:
- un "Arrayed Waveguide Grating", AWG (3) con una separación determinada entre las guías de onda (10, 1 1 ) y
- un "Interleave-Chirped AWG", IC-AWG (4, 5) con una separación determinada entre las guías de ondas (10, 1 1 ).
2. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 1 , caracterizado por que la segunda guía de onda (1 1 ) comprende un control electrónico (12) que a su vez comprende un actuador de fase que introduce un desfase ΔΦ en una señal óptica que circula por la segunda guía de onda (1 1 ).
3. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 2, caracterizado por que el "Arrayed Waveguide Grating" AWG (3) presenta una configuración donde la separación entre la primera guía de onda (10) y la segunda guía de onda (1 1 ) a la entrada del AWG (3) es Δχί = AxFSR.
4. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 3, caracterizado por que comprende un fotodetector independiente conectado a la salida del "Arrayed Waveguide Grating" AWG (3) que realiza una conversión de la señal óptica de salida a una señal eléctrica.
5. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 2, caracterizado por que el "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5) presenta una configuración donde la separación entre la primera guía de onda (10) y la segunda guía de onda (1 1 ) a la entrada del IC-AWG (4, 5) es Δχί = xFSRM, donde M es el número de subconjuntos con sus respectivas fases ópticas a λ0 de salida del IC-AWG (4, 5), siendo 1 <M<4.
6. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 5, caracterizado por que el IC-AWG (4) comprende M=2 subconjuntos de salida, donde los subconjuntos de salida son los subconjuntos de salida par e impar.
7. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 5, caracterizado por que el IC-AWG (5) comprende M=3 subconjuntos de salida, donde los subconjuntos de salida son el subconjunto 1 , el subconjunto 2 y el subconjunto 3.
8. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende un fotodetector independiente conectado a la salida del "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5) que realiza una conversión de la señal óptica de salida del IC- AWG (4,5) a una señal eléctrica y se calcula de forma externa al dispositivo la diferencia en el dominio eléctrico mediante un procesado electrónico diferencial.
9. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende un fotodetector balanceado conectado a la salida del "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5) que realiza una conversión de la señal óptica de salida del IC- AWG (4,5) a una señal eléctrica y calcula la diferencia entre ambas señales en el dominio eléctrico en un solo paso.
10. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según las reivindicaciones 4, 8 y 9 caracterizado por que los fotodetectores independientes y balanceados están seleccionados entre fotodetectores integrados en el dispositivo óptico (1 ) y fotodetectores externos al dispositivo óptico (1 ).
1 1 . Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 6, caracterizado por que se introduce un desfase Ac entre el subconjunto par y el subconjunto impar.
12. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 1 1 , caracterizado por que el desfase Ac entre el subconjunto par y el subconjunto impar es Ac=90°.
13. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 7, caracterizado por que se introduce un desfase [Ac1 , Ac2] entre los subconjuntos 1 , 2 y 3, de manera que Ac1 se introduce entre el subconjunto 1 y el subconjunto 2 y Ac2 entre el subconjunto 1 y el subconjunto 3.
14. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 13, caracterizado por que el desfase Ac1 introducido entre el subconjunto 1 y el subconjunto 2 es Ac1 =120° y el desfase Ac2 introducido entre el subconjunto 1 y el subconjunto 3 es Ac2= 0o.
15. Dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura según la reivindicación 2, caracterizado por que el control electrónico (12) es un control de tipo termoóptico.
16. Método de estimación del espectro de señales ópticas que hace uso del dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por que comprende las siguientes fases: i) introducir una señal óptica de entrada de longitud de onda λ0 en el acoplador óptico multimodo (6),
ii) dividir la señal óptica de entrada mediante el acoplador óptico multimodo (6) en dos copias, iL (7a) e iR (7b), de dicha señal óptica de entrada con la mitad de potencia transcurriendo iL (7a) por la primera guía de onda (10) e iR (7b) por la segunda guía de onda (1 1 ),
iii) introducir un desfase ΔΦ en iR (7b) mediante el control electrónico (12) de la segunda guía de onda (1 1 ),
iv) introducir iL (7a) e iR (7b) en el bloque seleccionado entre el "Arrayed Waveguide Grating" AWG (3) y el "Interleave-Chirped AWG" IC-AWG (4, 5) obteniéndose a la salida de dicho bloque una banda del espectro de la señal óptica de entrada.
17. Método de estimación del espectro de señales ópticas, según la reivindicación 16, caracterizado por que cuando el bloque seleccionado es un Arrayed Waveguide Grating", AWG (3), a la salida del AWG (3) se obtiene una única señal óptica de salida oR (8C) correspondiente a la combinación de las señales iL (7a) e iR (7b) introducidas en el AWG (3) con un desfase relativo entre iL (7a) e iR (7b) de 360°.
18. Método de estimación del espectro de señales ópticas, según la reivindicación 16, caracterizado por que cuando el bloque seleccionado es un Interleave-Chirped
AWG", IC-AWG (4), con M=2, a la salida del IC-AWG (4) se obtienen dos señales de salida donde cada señal de salida oL (8a) y oR (8c) es una combinación de cuatro señales, dos por cada subconjunto par e impar, provenientes de las señales iL (7a) e iR (7b) introducidas en el IC-AWG (4).
19. Método de estimación del espectro de señales ópticas, según la reivindicación 16, caracterizado por que cuando el bloque seleccionado es un Interleave-Chirped AWG", IC-AWG (5), con M=3, a la salida del IC-AWG (5) se obtienen tres señales de salida donde cada señal de salida oL (8a), oc (8b) y oR (8c) es una combinación de seis señales, dos por cada subconjunto 1 , 2 y 3, provenientes de las señales iL (7a) e iR (7b) introducidas en el IC-AWG (5).
20. Uso del dispositivo óptico integrado (1 ) en miniatura descrito en reivindicaciones 1 a 15, en un equipo seleccionado entre un espectrómetro y interrogador de sensores.
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