ES2288210T3 - Dispositivo optico de guias de ondas con interferencias multimodo. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo (90) de interferencia multimodo, que comprende una región (32) de guías de ondas multimodo de núcleo hueco, ópticamente acoplada al menos a una guía de ondas (30) de entrada de núcleo hueco, donde las superficies internas de dichas guías de ondas de núcleo hueco llevan un recubrimiento reflectante (92) y caracterizado porque las superficies opuestas que forman la sección transversal rectangular interna de la región de guías de ondas multimodo de núcleo hueco tienen sustancialmente iguales índices de refracción efectivos y porque las superficies contiguas que forman la región de guías de ondas multimodo de núcleo hueco de sección transversal interna rectangular, tienen diferentes índices de refracción efectivos.
Description
Dispositivo óptico de guías de ondas con
interferencias multimodo.
Esta invención está relacionada con dispositivos
ópticos de guías de ondas con interferencias multimodo (MMI).
El documento US5410625 describe un dispositivo
de interferencia multimodo (MMI) para repartir y recombinar el haz.
El dispositivo comprende una primera guía de ondas de acoplamiento y
dos o más segundas guías de ondas de acoplamiento, que están
conectadas a una región central de guías de ondas multimodo. Las
guías de onda de acoplamiento funcionan solamente en modo
fundamental, y las características físicas de las regiones de guías
de ondas de acoplamiento y multimodo se seleccionan de forma tal que
la dispersión modal, dentro de la región central de la guía de
ondas multimodo, proporciona un solo haz de entrada de luz en la
primera guía de ondas de acoplamiento para repartirse en dos o más
segundas guías de ondas de acoplamiento. El dispositivo puede
funcionar también a la inversa como un combinador de haces.
Se conocen también variaciones y mejoras de los
dispositivos MMI básicos del documento US5410625. El documento
US5379354 describe cómo puede utilizarse la variación de la
situación de la guía de entrada para obtener un repartidor de
caminos múltiples que proporcione la división de la radiación de
entrada, en haces de salida que tengan intensidades diferentes. En
el documento US5675603 se ha mostrado también el uso de dispositivos
MMI para formar cavidades láser. Se han utilizado también diversas
combinaciones de dispositivos repartidores y recombinadores para
proporcionar una capacidad de encaminamiento óptico, véase, por
ejemplo, el documento US5428698.
Son conocidos los dispositivos de guías de ondas
MMI de núcleo sólido, en los cuales se forman las guías de ondas de
acoplamiento y multimodo a partir de crestas de material
semiconductor, tal como el Arseniuro de Galio (GaAs), que
sobresalen de un substrato. Los dispositivos de guías de ondas MMI
de núcleo sólido se fabrican, típicamente, a partir de capas de
GaAs. Una desventaja de los materiales de núcleo sólido es la
limitada densidad de potencia total que pueden transmitir antes de
que ocurran daños en el material de núcleo sólido.
Se conocen también los dispositivos MMI, en los
cuales las guías de ondas de acoplamiento y multimodo se forman
como cavidades huecas (es decir, cavidades de aire), dentro de los
substratos de material dieléctrico sólido, tal como la alúmina. El
material de substrato dieléctrico se selecciona de manera que tenga
un índice de refracción inferior al del núcleo de aire en una
longitud de onda particular de funcionamiento del dispositivo. Los
dispositivos dieléctricos de núcleo hueco se fabrican, típicamente,
mediante un proceso de ingeniería de precisión (por ejemplo, de
homogeneización) y son típicamente de tamaño físicamente mayor que
sus contrapartidas de núcleo sólido. El control preciso de las
dimensiones de tales dispositivos, que es importante para obtener un
rendimiento óptimo, puede demostrar que también es un reto
también.
Es un objeto de esta invención proporcionar un
dispositivo óptico alternativo MMI de guías de onda.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, un dispositivo de interferencia multimodo (MMI)
comprende una región rectangular de guías de onda de núcleo hueco
multimodo, ópticamente acoplada al menos a una guía de ondas de
entrada de núcleo hueco, caracterizada porque las superficies
internas de las guías de onda de núcleo hueco llevan un
revestimiento reflectante y donde las superficies opuestas, que
forman la sección transversal rectangular interna de la región de
guía de ondas multimodo de núcleo hueco, tienen esencialmente
índices efectivos de refracción iguales, y las superficies
contiguas, que forman la sección transversal rectangular interna de
la región de guía de ondas multimodo de núcleo hueco, tienen índices
efectivos de refracción diferentes.
Los dispositivos de la invención pueden
configurarse para que tengan pérdidas ópticas reducidas cuando guían
la luz de polarización lineal conocida. Es preferible seleccionar
las dimensiones (es decir, la anchura, la longitud y la
profundidad) de la región de guía de onda multimodo de núcleo hueco
de manera que proporcionen la re-formación de
imágenes (es decir, generar una o más imágenes de un haz de entrada)
del campo óptico transportado de dicha al menos una guía de ondas
de entrada de núcleo hueco. Los dispositivos MMI de núcleo hueco de
la presente invención pueden hacerse funcionar como combinadores de
haz, repartidores de haz, divisores de intensidad de haces con
caminos múltiples, etc.
Una ventaja de la presente invención es que las
estructuras de guías de ondas de núcleo hueco (es decir, el
substrato que define la estructura de las guías de ondas de núcleo
hueco), sobre las cuales está situado el revestimiento reflectante,
puede estar formado a partir de cualquier material. Esto es una
ventaja sobre los dispositivos MMI de núcleo hueco de la técnica
anterior, que son fabricados a partir de materiales específicos
(tales como la alúmina) para asegurar que las pérdidas ópticas se
hacen mínimas. La presente invención permite pues fabricar guías de
ondas utilizando una gran variedad de materiales y procesos que no
había sido posible pensar anteriormente por los expertos en la
técnica. En particular, esta invención proporciona la oportunidad
de fabricar dispositivos de guía de ondas de núcleo hueco
físicamente pequeños, utilizando técnicas de
micro-fabricación de alta precisión; las
restricciones en el tamaño mínimo del dispositivo de núcleo hueco
que fueron impuestas por el uso de técnicas tradicionales de
ingeniería de precisión han sido así superadas.
Debe observarse también que las guías de ondas
de núcleo hueco pueden ser fabricadas de una diversidad de maneras.
Las guías de ondas pueden estar formadas en piezas unitarias de
material, pueden estar formadas a partir de piezas independientes
de material (tales como una base y una tapa) o pueden estar formadas
a partir de una pluralidad de piezas de material diferentes (por
ejemplo, secciones independientes de material que, cuando se ponen
juntas, definen las regiones de guías de onda del modo fundamental y
del multimodo requeridos).
Las guías de onda de núcleo hueco de la presente
invención permiten el funcionamiento del dispositivo con altos
niveles de potencia óptica. Esto es una ventaja sobre las guías de
onda de núcleo sólido de la técnica anterior, en cuanto que la
densidad de potencia óptica máxima está limitada por las propiedades
físicas del material que forma el núcleo sólido.
Ventajosamente, el revestimiento reflectante
comprende una capa de material con un índice de refracción inferior
al del núcleo de la guía de ondas dentro de la banda operativa de
longitudes de onda. La capa de material con un índice de refracción
inferior al del núcleo de guías de onda huecas genera una reflexión
total interna (TIR) de la luz dentro del dispositivo MMI,
proporcionando así un dispositivo de núcleo hueco que tiene
asociados niveles bajos de pérdida óptica.
Debe observarse que cuando se fabrican las
estructuras de guías de ondas ópticas de núcleo hueco, el núcleo
hueco se llena probablemente de aire. En vista de esto, el índice de
refracción del núcleo se supone así que es el del aire a presión y
temperatura atmosféricas (es decir, n=1). Sin embargo, esto no debe
ser considerado en absoluto como limitativo del alcance de la
invención. El núcleo hueco puede contener cualquier fluido (por
ejemplo un gas inerte, tal como el nitrógeno) o puede ser el vacío.
El término núcleo hueco significa simplemente un núcleo que carece
de cualquier material sólido. Además, el término reflexión total
interna (TIR) debe considerarse en este punto como que incluye una
reflexión total interna atenuada (ATIR).
En un modo de realización adicional, la capa de
material con índice de refracción bajo, transportado en la
superficie interna de las guías de onda de núcleo hueco, es un
metal; por ejemplo oro, plata o cobre.
Las propiedades del oro, la plata o el cobre
hacen por tanto a estos materiales particularmente adecuados para
su inclusión en dispositivos MMI para que funcionen en la banda de
longitudes de onda de las telecomunicaciones (es decir, para ser
utilizados con longitudes de onda centradas alrededor de 1,55
\mum).
Los metales presentarán un índice de refracción
adecuadamente bajo en una gama de longitudes de onda que está
gobernada por las propiedades físicas del metal; los libros de texto
estándar tales como "el manual de constantes ópticas" de E. D.
Palik, Academic Press, Londres, 1998, proporcionan datos precisos
sobre los índices de refracción dependientes de la longitud de onda
de diversos materiales. En particular, el oro tiene un índice de
refracción inferior al del aire para longitudes de onda que están
dentro de la gama de alrededor de 1400 nm hasta 1600 nm. El cobre
presenta un índice de refracción inferior a la unidad en una gama de
longitudes de onda que están dentro de la gama de 560 nm a 2200 nm,
mientras que la plata tiene propiedades similares del índice de
refracción en una gama de longitudes de onda de 320 nm a 2480
nm.
La capa de metal puede ser depositada utilizando
una diversidad de técnicas conocidas para los expertos en la
técnica. Estas técnicas incluyen la pulverización, la evaporación,
la deposición química del vapor (CVD) y el chapado (eléctrico o no
eléctrico). Las técnicas de CVD y de chapado permiten depositar capa
de metal sin variaciones del espesor que dependan de la dirección.
Las técnicas de chapado permiten también emprender el proceso por
lotes.
Una persona experta reconocería que las capas de
adhesión y/o las capas de difusión de barreras pueden ser
depositadas en la guía de ondas de núcleo hueco antes de depositar
la capa de metal. Por ejemplo, puede proporcionarse una capa de
cromo o titanio como capa de adhesión, antes de la deposición del
oro. También puede depositarse una capa de barrera de difusión, tal
como el platino, en la capa de adhesión, antes de la deposición del
oro. Alternativamente, podría utilizarse una capa de barrera de
adhesión y difusión combinadas (tal como el nitruro de titanio o
una aleación de titanio y tungsteno o un aislante, tal como el óxido
de silicio).
Convenientemente, el revestimiento reflectante
puede comprender también una o más capas de material dieléctrico.
El material dieléctrico puede ser depositado por CVD o
pulverización. Alternativamente, puede formarse una capa de
dieléctrico por reacción química, con una capa de metal depositado.
Una capa depositada de plata podría reaccionar químicamente con un
haluro para producir una capa superficial delgada de haluro de
plata. Por ejemplo, podría formarse un recubrimiento de ioduro de
plata (AgI) sobre la superficie de plata exponiéndola a I_{2} en
forma de una solución de ioduro potásico (KI).
En otras palabras, el recubrimiento reflectante
podría proporcionarse con una pila de todo dieléctricos, o bien de
metal-dieléctrico. Una persona experta en la técnica
reconocería que el espesor óptico de la capa o capas de dieléctrico
ofrece los efectos de interferencia requeridos y determina por tanto
las propiedades reflectantes del recubrimiento. Las propiedades
reflectantes del recubrimiento pueden depender también, en cierta
medida, de las propiedades del material en el cual se forman las
guías de ondas de núcleo hueco.
El dispositivo puede ser configurado,
ventajosamente, de manera que funcione en la gama de longitudes de
onda de 0,1 \mum y 20,0 \mum y, más preferiblemente, en las
bandas de infrarrojo de 3-5 \mum o
10-14 \mum. Ventajosamente, el dispositivo
funciona con radiación entre 1,4 \mum y 1,6 \mum en longitudes
de onda.
Convenientemente, la al menos una guía de ondas
de entrada de núcleo hueco es una guía de ondas de modo fundamental.
Alternativamente, la al menos una guía de ondas de entrada de
núcleo hueco es una guía de ondas multimodo. Como se describe con
más detalle a continuación, puede utilizarse una guía de ondas de
modo fundamental o multimodo para acoplar la radiación hacia el
interior o el exterior de la región de guías de ondas multimodo de
núcleo hueco.
Preferiblemente, la al menos una guía de ondas
de entrada de núcleo hueco comprende una fibra óptica de núcleo
hueco. En otras palabras, puede disponerse una fibra óptica de
núcleo hueco para acoplar directamente la radiación hacia la región
de la guía de ondas multimodo.
Ventajosamente, el dispositivo comprende
adicionalmente una fibra óptica que está directamente acoplada
ópticamente a la región de guías de onda multimodo de núcleo hueco.
La fibra óptica puede comprender un núcleo hueco o sólido.
En ejemplos no cubiertos por las
reivindicaciones, la región de guías de ondas multimodo de núcleo
hueco puede tener una sección transversal esencialmente circular, y
el diámetro y longitud de la región de guías de onda multimodo de
núcleo hueco se seleccionan de manera que proporcionen una
re-formación de imágenes del campo óptico de
entrada transportado por dicha al menos una guía de ondas de entrada
de núcleo hueco. Debe observarse que el reparto del haz no es
posible con tal región multimodo circular, sino que solamente si
observan efectos de re-formación de imágenes.
En un modo de realización adicional, la capa de
material transportado sobre una superficie interna de las guías de
ondas de núcleo hueco es Carburo de Silicio. Como se ha descrito
anteriormente, la capa adicional de material con índice de
refracción bajo puede seleccionarse de manera que proporcione un
funcionamiento MMI eficiente en cualquier longitud de onda
requerida. El Carburo de Silicio tiene un índice de refracción de
0,06 a 10,6 \mum, haciendo particularmente adecuado a tal material
para su inclusión en dispositivos MMI que funcionen en tal longitud
de onda.
Convenientemente, las guías de ondas de núcleo
hueco están formadas en material semiconductor; por ejemplo silicio
o materiales semiconductores III-V, tal como el
GaAs, el Ingaes, el AlGaAs o el InSb. El material semiconductor
puede ser proporcionado en forma de oblea. Ventajosamente, las guías
de ondas de núcleo hueco se forman utilizando técnicas de
micro-fabricación de semiconductores.
Preferiblemente, tales técnicas de
micro-fabricación proporcionan guías de ondas de
modo fundamental, que tiene secciones transversales de menos de 3
mm o, más preferiblemente, menos de 1 mm.
Una persona experta en la técnica reconocería
que las técnicas de micro-fabricación implican
típicamente un paso de litografía, seguido de un paso de ataque
químico para definir el diseño en el material del substrato o de
una capa sobre él. El paso de litografía puede comprender la
fotolitografía, la litografía por rayos X o la litografía por haz
de electrones. El paso de ataque químico puede ser realizado
utilizando la molturación por haz de iones, un ataque químico, un
ataque químico de plasma seco o un ataque químico seco profundo
(denominado también de silicio profundo). Preferiblemente, se
utilizan técnicas de Ataque químico Profundo por Iones reactivos
(DRIE).
Las guías de ondas formadas utilizando técnicas
de micro-fabricación de este tipo proporcionan guías
de ondas de núcleo hueco que son significativamente menores en
tamaño que las guías de ondas dieléctricas huecas de la técnica
anterior. Las técnicas de micro-fabricación de este
tipo son compatibles también con diversas técnicas de deposición
por capas, tales como la pulverización, el chapado eléctrico, el CVD
u otras técnicas reactivas basadas en la Química.
En un modo de realización adicional, las guías
de ondas de núcleo hueco están formadas a partir de plástico o
polímero. Por ejemplo, las guías de ondas de núcleo hueco podrían
formarse utilizando un proceso litográfico sobre un recubrimiento
de polímero por "revolución continua" (por ejemplo SU8,
disponible por Microchem Corporation).
Los dispositivos de guías de ondas de plástico
pueden ser fabricados por técnicas que incluyen el grabado en
caliente o el moldeo por inyección. La técnica implica la formación
de una matriz. La matriz puede ser formada en material
semiconductor, tal como el silicio, utilizando un ataque químico
seco profundo. Alternativamente, la matriz puede estar formada por
deposición eléctrica de capas utilizando la técnica de LIGA o de UV
LIGA. Una vez formada la matriz, las guías de onda de núcleo hueco
puede formarse en un substrato de plástico por estampación (es
decir, por prensado) o por estampación en caliente. Las guías de
ondas de plástico hueco así formadas pueden ser recubiertas después
con un recubrimiento reflectante.
En un modo de realización adicional, las guías
de ondas de núcleo hueco se forman a partir de vidrio, tal como el
cuarzo, sílice, etc.
Convenientemente, el núcleo hueco del
dispositivo comprende un líquido o un gas, tal como el aire.
Puede utilizarse también ventajosamente un medio
gaseoso de ganancia óptica para proporcionar la amplificación de la
luz dentro de las guías de ondas de núcleo hueco. En particular, el
uso de tal medio gaseoso de ganancia en la región multimodo de
núcleo hueco, permite un alto grado de amplificación. Por ejemplo,
el medio gaseoso de ganancia podría ser una descarga de gas formada
en una mezcla de CO_{2}N_{2} y He. Esto proporcionaría una
amplificación para la radiación de 10,6 \mum.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, un amplificador óptico comprende un repartidor de haz de
1 a N caminos, un amplificador óptico de elementos múltiples, y un
recombinador de haces conectado en serie óptica, actuando el
amplificador óptico sobre al menos una de las salidas del repartidor
de haces de 1 a N caminos, caracterizado porque al menos uno, bien
el repartidor de haces de 1 a N caminos o bien el recombinador de
haces, comprende un dispositivo de interferencia multimodo de núcleo
hueco de acuerdo con el primer aspecto de la invención.
En otras palabras, un amplificador óptico
incorpora un dispositivo MMI de acuerdo con el primer aspecto de la
invención. El uso de tal dispositivo MMI posibilita que el
amplificador proporcione cantidades grandes de potencia óptica.
Esto es ventajoso sobre los amplificadores de la técnica anterior
fabricados a partir de guías de ondas de núcleo sólido, en los que
la densidad de potencia óptica máxima está limitada por las
propiedades físicas del material que forma el núcleo. Es por tanto
posible un
reparto-amplificación-recombinación
de orden superior, permitiendo así la producción de haces de salida
de alta intensidad, que no podían conseguirse anteriormente.
Convenientemente, el repartidor de haces de 1 a
N y el recombinador de haces, comprenden ambos dispositivos de
interferencia multimodo de núcleo hueco, de acuerdo con el primer
aspecto de la invención. Alternativamente, el repartidor de haces
de 1 a N comprende un dispositivo repartidor MMI de núcleo
sólido.
En un modo de realización adicional, el
amplificador óptico comprende además medios de compensación de fase
para ajustar las fases relativas de los haces amplificados, antes de
la recombinación de haces en el recombinador de haces. Los medios
de compensación de fases, que pueden comprender moduladores de GaAs
o espejos deformables, etc., permiten controlar las fases relativa
de los haces que entran en el recombinador. Asegurando que los
haces que entran en el dispositivo recombinador tienen
compensaciones de fase apropiadas, se incrementará la eficiencia
del proceso de recombinación y se posibilitará que la región de
recombinación sea más corta en longitud (especialmente en
dispositivos de reparto/recombinación de orden superior).
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente
invención, un resonador comprende un reflector parcial, unos medios
repartidores/recombinadores, un amplificador óptico de múltiples
elementos y un reflector, estando configurados el reflector
parcial, los medios repartidores/recombinadores, el amplificador
óptico de múltiples elementos y el reflector de forma tal que los
medios repartidores/recombinadores reparten un solo haz en N haces,
donde N es mayor o igual a 2, cada uno de los N haces son
amplificados por el amplificador óptico de múltiples elementos,
reflejado por el reflector y redirigido para que pase a través del
amplificador de múltiples elementos, siendo recombinados después
los N haces por los medios repartidores/recombinadores para formar
un solo haz, saliendo una parte de ese haz único del resonador a
través del reflector parcial, caracterizado porque los medios
repartidores/recombinadores son un dispositivo de interferencia
multimodo de núcleo hueco, de acuerdo con el primer aspecto de la
presente invención.
El resonador es efectivamente un amplificador
plegado sobre sí mismo, y proporciona la capacidad de funcionamiento
en una alta potencia óptica con niveles bajos de pérdida
óptica.
Se describirá ahora la invención, solamente a
modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en
los cuales:
La figura 1 ilustra un dispositivo repartidor
MMI de núcleo hueco de la técnica anterior y el perfil de campo
eléctrico transversal de dicho dispositivo;
La figura 2 ilustra un dispositivo repartidor
MMI de núcleo sólido de la técnica anterior;
La figura 3 muestra un dispositivo de guía de
ondas MMI, útil para comprender la presente invención;
La figura 4 muestra una comparación de datos
experimentales grabados desde un dispositivo MMI recubierto y un
dispositivo MMI de núcleo hueco sin recubrir;
La figura 5 muestra un circuito óptico
amplificador y resonador que incorpora dispositivos
repartidores/recombina-
dores MMI de dos vías, de acuerdo con la presente invención;
dores MMI de dos vías, de acuerdo con la presente invención;
La figura 6 muestra un circuito óptico
amplificador y resonador que incorpora dispositivos
repartidores/recombina-
dores MMI de cuatro vías, de acuerdo con la presente invención;
dores MMI de cuatro vías, de acuerdo con la presente invención;
La figura 7 muestra una configuración
alternativa de un amplificador que incorpora dispositivos
repartidores/re-
combinadores MMI, de acuerdo con la presente invención; y
combinadores MMI, de acuerdo con la presente invención; y
La figura 8 muestra un circuito amplificador
óptico híbrido que incorpora dispositivos repartidores MMI de
núcleo sólido y un recombinador MMI, de acuerdo con la presente
invención.
Haciendo referencia a la figura 1(a), se
muestra una vista en perspectiva de un repartidor MMI 23 de haces
de guías de ondas de núcleo hueco de dos vías de la técnica
anterior. El repartidor MMI 23 de haces comprende una capa 24 de
substrato, una capa 26 de guías de ondas y una capa 28 de cubierta.
La capa 26 de guías de ondas define una estructura de guías de
ondas de núcleo hueco que tiene una guía de ondas 30 de entrada, una
región 32 de guías de ondas multimodo y dos guías de onda 34 y 36
de salida.
La región 32 de guías de ondas multimodo de
núcleo hueco es rectangular, siendo l la longitud y W la anchura.
La guía de ondas 30 de entrada tiene su puerto situado centralmente
en la región 32 de guías de ondas multimodo, y las guías de ondas
34 y 36 están situadas con los centros de sus puertos separados a
través de la región 32 de guías de ondas multimodo. La guía de
ondas 30 de entrada y las guías de ondas 34 y 36 de salida están
configuradas de manera que admiten solamente la propagación del modo
fundamental.
Durante el funcionamiento, el modo fundamental
admitido por la guía de ondas 30 de entrada es llevado a la región
central 32 de guías de ondas multimodo. La longitud (l) y la anchura
(w) de la región 32 de guías de ondas multimodo se seleccionan de
manera que la interferencia multimodo a lo largo de su longitud
genera una división igual de la intensidad del haz de entrada, que
está acoplado con las guías de onda 34 y 36 de salida. De esta
manera, un solo haz de entrada de radiación puede ser repartido en
dos haces de salida. También es posible hacer funcionar el
dispositivo a la inversa para combinar dos haces.
Haciendo referencia a la figura 1(b), se
ilustra el principio básico subyacente en la interferencia multimodo
que proporciona el reparto del haz. La figura 1(b) ilustra
los perfiles de intensidad transversal para la radiación
electromagnética de longitud de onda \lambda en trece posiciones
igualmente espaciadas a lo largo de la región rectangular de guías
de ondas multimodo de longitud L y anchura W, donde
L=W^{2}/\lambda. Se supone que la entrada de radiación
incidente (es decir, el modo representado por la primera curva 56 de
intensidad transversal) es un modo funda-
mental.
mental.
Puede observarse en la figura 1(b) que
puede utilizarse un dispositivo de longitud de onda inferior a L
para efectuar la función de reparto del haz. En el caso de un
repartidor de haces de dos vías, del tipo descrito en la figura
1(a), se requiere un dispositivo de longitud L/2(=1). De
forma similar, pueden proporcionarse repartidores de tres vías o de
cuatro vías si son de longitud L/3 y L/4 respectivamente. En otras
palabras, puede obtenerse un reparto de N vías con un dispositivo
de longitud L_{N}=W^{2}/N\lambda. En el documento US 5410625
se ofrece una explicación más completa del funcionamiento y diseño
de dispositivos repartidores MMI.
Los expertos en la técnica han construido, hasta
la fecha, estructuras de guías de ondas de núcleo hueco utilizando
materiales de substrato dieléctrico, que tienen un índice de
refracción inferior al del aire (es decir, n<1) en una
particular longitud de onda de funcionamiento. En particular, se han
utilizado substratos de alúmina porque tiene un índice de
refracción, para la luz de 10,5 \mum de longitud de onda, inferior
al del aire. Esto asegura que la luz que se propaga a través del
núcleo hueco sufrirá una TIR en el interfaz entre el aire y el
substrato.
Una desventaja de utilizar alúmina, y otros
materiales dieléctricos, es que tales materiales se configuran
típicamente par formar dispositivos MMI de núcleo hueco utilizando
técnicas de ingeniería de precisión (por ejemplo, molturación o
aserrado). Estas técnicas de fabricación limitan el tamaño mínimo
del dispositivo de núcleo hueco que puede crearse manteniendo las
tolerancias requeridas para el funcionamiento del dispositivo MMI.
Por ejemplo, las técnicas típicas de molturación permiten definir
estructuras con una tolerancia de no menos de 50 \mum en guías de
ondas de una anchura típica de no menos de 1 mm de anchura.
Los materiales alternativos que pueden ser
utilizados para fabricar dispositivos de núcleo hueco de un tamaño
físico menor, no proporcionan niveles de reflexión suficientes en el
interfaz aire-substrato, y se introducen pérdidas
ópticas significativas que surgen de la reflexión Fresnel de la luz
en el interfaz entre el núcleo hueco y el material circundante. La
pérdida óptica asociada con la reflexión Fresnel en dispositivos
MMI, que es exagerada en dispositivos de tamaño menor, ha conducido
a los expertos en la técnica a descartar el uso de substratos de
núcleo hueco para fabricar dispositivos MMI de pequeño tamaño. Se ha
hecho por tanto un esfuerzo en la iniciativa de tamaños menores de
los dispositivos, para fabricar dispositivos de guías de ondas MMI
de núcleo sólido.
Haciendo referencia a la figura 2, se ilustra
una estructura 60 de guías de ondas MMI de núcleo sólido de cuatro
vías. La estructura 60 de guías de ondas MMI de núcleo sólido
consiste en una capa 62 de substrato de GaAs
semi-aislante, una capa inferior 64 de
revestimiento, una capa 66 de núcleo de GaAs y una capa superior 68
de revestimiento/tapa.
Una guía de ondas 70 de entrada tiene su puerto
de manera centrada en una región 80 de guías de ondas multimodo de
anchura W y longitud l', y se disponen también cuatro guías de ondas
(72, 74, 76 y 78) de salida. Las guías de ondas de entrada y de
salida están configuradas de manea que solamente admiten la
propagación en modo fundamental. La longitud (l') de la región 80
de guías de ondas multimodo es L/4 (donde L = W^{2}/\lambda)
para proporcionar un reparto en cuatro vías.
El índice de refracción del núcleo de GaAs es
alrededor de 3,5, mientras que el aire circundante tiene un índice
de refracción de alrededor de 1. Se obtiene así la reflexión total
interna (TIR) en el interfaz entre el material de GaAs y el aire
circundante. La TIR que tiene lugar en el interfaz entre el material
de GaAs y el aire proporciona una capacidad de reflexión
superficial sustancialmente mayor que el que se encuentra en el
dispositivo de núcleo hueco. La eficiencia óptica global de los
dispositivos de núcleo sólido de este tipo es por tanto
significativamente mayor que la de los equivalentes de núcleo
hueco.
Una desventaja de los dispositivos repartidores
MMI de núcleo sólido es que solamente puede propagarse una cantidad
limitada de potencia óptica en el núcleo sólido antes de que ocurran
daños al material que forma el núcleo. Las capacidades de
utilización de potencia de los dispositivos MMI de núcleo sólido
están por tanto limitadas; esto pone una limitación en el uso de
tales dispositivos en aplicaciones de alta potencia, tales como los
amplificadores ópticos, etc.
Haciendo referencia a la figura 3, se ilustra
una vista en perspectiva de un repartidor MMI 90 de guías de ondas
de núcleo hueco de dos vías, útil para comprender la presente
invención; los elementos similares a los descritos en las figuras
precedentes tienen referencias numéricas similares.
El repartidor MMI 90 de haces comprende un
substrato 88 y una tapa 86 del substrato. El substrato 88 y la tapa
86 del substrato definen una estructura de guías de ondas de núcleo
hueco que tiene una guía de ondas 30 de entrada, una región 32 de
guías de ondas multimodo y dos guías de ondas 34 y 36 de salida. Hay
dispuesta una capa 92 de oro (indicada con las marcas rayadas de la
figura 3) sobre las superficies internas del substrato 88 y la tapa
86 del substrato que definen la estructura de guías de ondas de
núcleo hueco. La capa 92 de oro debe ser suficientemente gruesa
para asegurar que tiene lugar una ATIR. Una persona experta en la
técnica reconocería que también pueden disponerse una capa de
estimulación de la adhesión y/o una capa de barrera de difusión (no
ilustradas) entre la capa 92 de oro y el substrato.
Aparte de cualquier alteración en la longitud y
la anchura de la cavidad originada por la adición de la capa de
metal de oro, la capa 92 de oro no afecta al diseño del dispositivo
MMI. La guía de ondas 30 de entrada, la región 32 de guías de ondas
multimodo y las dos guías de ondas 34 y 36 de salida se diseñan
utilizando los mismos criterios utilizados para los dispositivos
MMI de núcleo hueco de la técnica anterior del tipo descrito con
referencia a la figura 1.
La presencia de la capa 92 de oro proporciona
una ATIR dentro del dispositivo de núcleo hueco para la luz con
longitud de onda dentro de la banda de longitudes de onda de las
telecomunicaciones (es decir, para longitudes de onda alrededor de
1,55 \mum). En estas longitudes de onda de las telecomunicaciones,
el oro tiene las propiedades de índice de refracción requeridas de
n<1 y de bajos niveles de absorción.
Aunque se ha descrito anteriormente una capa 92
de oro, una persona experta en la técnica reconocería que cualquier
material con índice de refracción inferior al del aire (o lo que
esté contenido en la cavidad) en las longitudes de onda a las
cuales ha de funcionar la guía de ondas, podría ser depositado sobre
las superficies que definen la guía de ondas de núcleo hueco. Los
índices de refracción de los distintos materiales pueden
encontrarse en diversas publicaciones, tales como "el manual de
constantes ópticas", de E. D. Palik, Academic Press, Londres,
1998. Los metales tienen típicamente un índice de refracción
inferior al del aire, en una gama dada de longitudes de onda; la
gama de longitudes de onda en particular depende de las propiedades
físicas del metal. El bajo índice de refracción de los metales en
una longitud de onda en particular, viene acompañado generalmente
con un máximo de absorción a través de una gama similar de
longitudes de onda. Por tanto, debe seleccionarse un material,
preferiblemente, con un índice de refracción inferior al del aire y
también con una baja absorción en la longitud o longitudes de onda
de funcionamiento del dispositivo.
Una persona experta reconocería que, en lugar de
utilizar una sola capa con bajo índice de refracción, se pueden
disponer múltiples reflectores de capas. Por ejemplo, las pilas
dieléctricas de capas múltiples o pilas de
metal-dieléctricos podrían ser recubiertas sobre el
substrato 88 y/o la tapa 86 del substrato.
Un material adecuado para el substrato 88 y la
tapa 86 del substrato es el silicio; el silicio puede ser atacado
químicamente con un alto grado de precisión utilizando técnicas de
micro-fabricación del tipo conocido por los
expertos en la técnica. Cualquier material que pueda formarse con la
geometría física requerida podría ser utilizado para fabricar el
dispositivo MMI. Sin embargo, el uso de semiconductores
micro-fabricados es particularmente ventajoso
porque permite hacer los dispositivos significativamente más
pequeños en tamaño que las alternativas de ingeniería de precisión;
los procesos de micro-fabricación pueden
proporcionar una precisión por debajo de 1 \mum. La
micro-fabricación permite también formar múltiples
estructuras en paralelo sobre el substrato, a diferencia de las
técnicas de ingeniería de precisión en las cuales las estructuras
de guías de ondas se forman en serie desplazando una herramienta de
corte a través de la superficie del substrato.
Idealmente, el substrato 88 y la tapa 86 del
substrato deberían ser fabricados a partir de un material adecuado
para el recubrimiento con un material de bajo índice de refracción.
Una persona experta en la técnica apreciaría cómo puede conseguirse
la deposición de capas de oro sobre el silicio, utilizando técnicas
de deposición de metales, tal como la pulverización, evaporación,
CVD o chapado. Una persona experta apreciaría también que la tapa
podría ser unida al substrato a través de técnicas tales como la
unión eutéctica del oro-silicio o una capa
intermedia.
Haciendo referencia a la figura 4, se muestran
los datos experimentales que ilustran las propiedades de transmisión
de dispositivos MMI de dos vías.
Se construyeron repartidores de haces MMI de
guías de ondas de núcleo hueco de dos vías, que tienen una anchura
(W) de la región multimodo de 250 \mum y anchuras de guías de
ondas de modo fundamental de 50 \mum. Los dispositivos fueron
fabricados utilizando diversas longitudes (l) de la región
multimodo, y con y sin un recubrimiento de metal de cobre aplicado
a la superficie interna de la estructura de guía de ondas de núcleo
hueco, utilizando una capa de adhesión de níquel.
La primera curva 100 muestra la transmisión
total de luz a través de repartidores MMI de núcleo hueco de dos
vías, mientras que la segunda curva 102 muestra la transmisión de
luz a través de repartidores MMI de núcleo hueco de dos vías con un
recubrimiento de metal de cobre aplicado a sus superficies internas.
Es evidente, a partir de los datos experimentales, que la
aplicación de una capa de material de cobre a la superficie interna
del repartidor de haces de núcleo hueco casi duplicará la eficiencia
de transmisión del dispositivo. Esto hace que el dispositivo sea
una alternativa práctica a los dispositivos de núcleo sólido.
Haciendo referencia a la figura 5, se ilustran
esquemáticamente varias aplicaciones en las cuales pueden emplearse
los dispositivos MMI repartidores/combinadores de dos vías, de
acuerdo con la presente invención.
La figura 5a muestra un amplificador 110. El
amplificador 110 comprende una etapa repartidora 112, un
amplificador 114 de una serie de diodos y una etapa combinadora
116.
La etapa repartidora 112 comprende un primer
repartidor MMI 118 de dos vías y dos repartidores MMI secundarios
120 y 122 de dos vías. Cada uno de los repartidores MMI 118, 120 y
122 de dos vías comprende una sola guía de ondas 124 de entrada,
dos guías de ondas 126 de salida y una región central multimodo 128.
Las entradas de los repartidores secundarios MMI de dos vías están
conectadas a las salidas del primer repartidor MMI 118 de dos
vías.
El amplificador 114 de serie de diodos comprende
4 elementos de amplificación independientes (130a, b, c, d) que
están ópticamente conectados entre las cuatro salidas de la etapa
repartidora 112 y las cuatro entradas de la etapa combinadora 116.
Las series de diodos láser de este tipo son bien conocidas para los
expertos en la técnica.
La etapa combinadora 116 comprende una pareja de
combinadores MMI 132 y 134 de dos vías, y un segundo combinador MMI
136. Cada uno de los combinadores MMI 132, 134 y 136 de dos vías
comprende una pareja de guías de ondas 138 de entrada, una sola
guía de ondas 140 de salida y una región multimodo central 128. Las
salidas de las parejas de combinadores MMI 132 y 134 de dos vías
están conectadas a las entradas del segundo combinador MMI 136.
En funcionamiento, la etapa repartidora 112
divide un haz 142 de luz incidente en cuatro haces; cada uno de
ellos con igual intensidad. El amplificador 114 de serie de diodos
de cuatro elementos amplifica entonces cada uno de los cuatro
haces, antes de ser recombinados en la etapa combinadora 116.
Resulta así un haz 144 de salida amplificada resultante.
Haciendo referencia a la figura 5b, se ilustra
una estructura 150 de resonador. El resonador 150 es efectivamente
un amplificador del tipo descrito con referencia a la figura 5a,
plegado sobre sí mismo.
El resonador 150 comprende una sola etapa MMI
152 que tiene un primer repartidor/combinador MMI 154 de dos vías y
dos repartidores/combinadores secundarios MMI 156 y 158 de dos vías.
Cada repartidor combinador MMI 154, 156 y 158 tiene una primera
guía de ondas 160, dos segundas guías de ondas 162 y una región
multimodo 128. Las dos segundas guías de ondas del primer
repartidor/combinador MMI 154 de dos vías están ópticamente
conectadas a las primeras guías de ondas de los dos
repartidores/combinadores MMI secundarios 156 y 158 de dos vías. El
resonador comprende también un espejo 164 totalmente reflectante y
un espejo 166 parcialmente reflectante y un amplificador 114 de
serie de diodos de cuatro elementos.
En funcionamiento, la etapa MMI 152 realiza
ambas funciones de repartición y combinación, y el resonador
proporciona amplificación de luz. El espejo 166 parcialmente
reflectante permite extraer una cierta cantidad de la luz como un
haz 168 de salida.
Aunque el amplificador y los resonadores
descritos con referencia a la figura 5 podrían ser fabricados
utilizando repartidores/combinadores MMI conocidos, es preferible
utilizar el dispositivo MMI del tipo descrito con referencia a las
figuras 3 y 4. El uso de guías de ondas de núcleo hueco sin el
recubrimiento de índice de refracción bajo, aumentaría las pérdidas
acumuladas asociadas con cada repartidor/combinador MMI del sistema,
reduciendo así la amplificación de luz del amplificador 114 de
serie de diodos. Además, si se utilizasen los
repartidores/combinadores MMI de núcleo sólido (por ejemplo, de
GaAs) de la técnica anterior, las densidades de potencia asociadas
con la etapa de recombinación podrían originar una degradación
significativa del material de núcleo sólido. La presente invención
proporciona pues amplificadores ópticos y resonadores que tienen
capacidad de utilización de altas potencias.
Haciendo referencia a la figura 6, se describe
un ejemplo adicional de cómo pueden emplearse ventajosamente los
dispositivos MMI de núcleo hueco, de acuerdo con la presente
invención.
La figura 6a muestra un amplificador de
1-a-4-a-1
vías. El amplificador comprende un primer repartidor MMI 180 de
cuatro vías que tiene una primera guía de ondas 182, una región 184
multimodo y cuatro segundas guías de ondas 186. También se dispone
un amplificador 114 de serie de diodos de cuatro elementos, junto
con un segundo recombinador MMI 190 de cuatro vías.
En funcionamiento, la luz incidente 192 está
acoplada a la primera guía de ondas 182 del primer repartidor MMI
180 de cuatro vías. El primer repartidor MMI 180 de cuatro vías
reparte por igual la luz entre sus cuatro segundas guías de ondas
186, y hace pasar la luz al amplificador 114 de serie de diodos de
cuatro elementos.
La luz que emerge desde cada una de las cuatro
segundas guías de ondas del primer repartidor MMI 180 es amplificada
por cada elemento del amplificador 114 de serie de diodos de cuatro
elementos, antes de entrar en las segundas guías de ondas del
segundo recombinador MMI 190 de cuatro vías. El segundo recombinador
MMI 190 de cuatro vías recombina entonces los cuatro haces de luz
amplificada para formar un solo haz 194, y amplificado, de
salida.
Sin embargo, y a diferencia de los repartidores
de dos vías descritos anteriormente, es necesario considerar las
fases de los cuatro haces de luz que entran en el recombinador MMI
190. Tales consideraciones de fase solamente se requieren cuando
los dispositivos MMI se han diseñado para repartir y recombinar tres
o más haces (es decir, cuando N\geq3), utilizando las longitudes
más cortas posibles de la región multimodo.
Como se ha descrito anteriormente con referencia
a la figura 2, puede obtenerse un reparto de N vías con la longitud
de la región multimodo más corta cuando el dispositivo MMI tiene una
región multimodo de anchura W y longitud
L_{N}=W^{2}/N\lambda. Debe observarse que la longitud de onda
\lambda es la longitud de onda de la luz en la región multimodo
(es decir, la longitud de onda de la luz en el espacio libre
multiplicada por el índice de refracción del material del
núcleo).
En términos de inclinación (p) de los ejes de
los elementos de la serie, la longitud (l) de la guía multimodo
para un reparto de N vías puede escribirse como:
(1)l_{N} =
\frac{(Np)^{2}}{\lambda}
donde p es la inclinación de las
segundas guías de ondas (por ejemplo, la inclinación de las cuatro
guías de ondas 186 del repartidor MMI 180) y p=W/N. Puede
observarse a partir de la ecuación (1) que la longitud (l) de la
región de la guía multimodo se corresponde en una escala lineal con
el orden del reparto (es decir, N) para una inclinación
fija.
El resultado del proceso de reparto simétrico en
guías de ondas multimodo que obedezcan a las normas de diseño
geométrico descrito anteriormente, es que se producen N campos de
modo fundamental que tienen igual amplitud. Sin embargo, las fases
de los campos resultantes no son iguales, y se rigen por la
relación:
(2)\phi_{n} =
\left\{\frac{1}{2N} + \frac{N+1}{4} + \frac{n}{N}
(n-N-1)
\right\}\pi
En el caso de un repartidor de cuatro vías (es
decir, N=4), las fases relativas de los 4 campos de salida son por
tanto \frac{3}{8}\pi, -\frac{1}{8}\pi, -\frac{1}{8}\pi,
y \frac{3}{8}\pi, respectivamente.
Con el fin de recombinar eficientemente 4 haces
utilizando un recombinador de cuatro vías, las fases de los campos
que entran en la región de guías de ondas multimodo tienen que
adoptar valores que son la conjugada de fase exacta de las
generadas por el proceso de reparto. En otras palabras, las fases de
los cuatro campos de entrada en la región multimodo del
recombinador MMI 190 deben ser -\frac{3}{8}\pi,
\frac{1}{8}\pi, \frac{1}{8}\pi, y -\frac{3}{8}\pi,
respectivamente, para una recombinación eficaz.
Como consecuencia de lo anterior, es ventajoso
introducir compensaciones de fase entre el repartidor MMI 180 y el
recombinador MMI 190, lo que permite satisfacer estas condiciones de
fase. En términos generales, las compensaciones de fase requeridas
entre un repartido de 1-a-N vías y
un recombinador de N-a-1 vías vienen
dadas por:
(3)\phi_{n} =
-2 \left\{\frac{1}{2N} + \frac{N+1}{4} + \frac{n}{N}
(n-N-1)
\right\}\pi
Para establecer las compensaciones de fase
requeridas en el amplificador de
1-a-4-a-1
vías de la figura 6(a), se disponen los medios 196 de
compensación de fase en cada una de las cuatro segundas guías de
ondas 186 del recombinador MMI 190. Los medios 196 de compensación
de fase comprenden modificaciones de las longitudes físicas de las
guías que alimentan al recombinador MMI 190.
Los expertos en la técnica conocen también
numerosas alternativas técnicas para producir las compensaciones de
fase requeridas. Por ejemplo, podría alterarse la corriente en cada
elemento del amplificador 114 de serie de diodos. Alternativamente,
podría alterarse la longitud del camino óptico dentro del
amplificador 114 de serie de diodos, o podría modificarse el índice
de refracción efectivo de una sección de la guía de ondas o del
amplificador 114 de serie de diodos, para proporcionar el
desplazamiento de fase necesario.
\newpage
La figura 6b ilustra un resonador que consiste
en un solo repartidor/recombinador MMI 200 de cuatro vías y un
amplificador 114 de serie de diodos de cuatro elementos. El
repartidor/recombinador MMI 200 de cuatro vías tiene una región
multimodo 184, una primera guía de ondas 182 y cuatro segundas guías
de ondas 186. Se disponen medios 204 de compensación de fase en
cada una de las cuatro segundas guías de ondas 186. El resonador
comprende también un espejo 164 totalmente reflectante y un espejo
166 parcialmente reflectante.
El resonador es efectivamente un amplificador
plegado sobre sí mismo, con el resultado de que un doble paso a
través del repartidor/recombinador MMI 200 de cuatro vías da como
resultado una amplificación de la luz. Como la luz pasa a través de
los medios 204 de compensación de fase dos veces durante cada doble
paso a través del dispositivo, las compensaciones de fase
proporcionadas por los medios 204 de compensación por los medios
204 de compensación de fase es la mitad de la dada por la ecuación
(3) anterior para un dispositivo amplificador. El espejo 166
parcialmente reflectante permite que se extraiga una cierta cantidad
de la luz como haz 202 de salida.
De nuevo, los repartidores/recombinadores MMI de
núcleo hueco del tipo descrito con referencia a las figuras 3 y 4,
son ventajosos porque proporcionan la capacidad de manejar potencias
ópticas altas con bajos niveles de atenuación.
Haciendo referencia a la figura 7, se ofrece un
modo de realización alternativo del amplificador descrito con
referencia a la figura 6(a). El amplificador comprende un
repartidor MMI 210 de 7 vías, un chip 212 de serie de diodos de 7
elementos y un recombinador MMI 214 de 7 vías. El repartidor MMI 210
de 7 vías tiene una guía de ondas 216 de entrada y una región 218
multimodo. El combinador MMI 214 de 7 vías tiene una guía de ondas
220 de salida y una región 218 multimodo.
Las regiones 218 multimodo de ambos, el
repartidor MMI 210 y el combinador MMI 214, están directamente
acoplados ópticamente a cada lado del chip 212 de serie de diodos
de 7 elementos. Las dimensiones de la región 218 multimodo del
repartidor MMI 210 son tales que un modo fundamental incidente que
entre en esa región desde la guía de ondas 216 de entrada, es
repartido en 7 haces de igual intensidad en el interfaz 222 con el
chip 212 de serie de diodos. Los 7 haces son amplificados después
por el chip 212 de serie de diodos, antes de entrar en el
recombinador MMI 214, cuando se recombinan para formar un solo haz
que sale del dispositivo a través de la guía de ondas 220 de
salida. En este dispositivo, se proporciona cualquier compensación
de fase necesaria en la región del chip de serie de diodos.
Al igual que los dispositivos amplificador y
resonador descritos con referencia a la figura 6, el dispositivo
amplificador integrado de la figura 7 comprende, ventajosamente, un
repartidor MMI 210 y/o un recombinador MMI 214 del tipo descrito
con referencia a las figuras 3 y 4.
Haciendo referencia a la figura 8, se ilustra un
amplificador híbrido. El amplificador híbrido comprende un
repartidor MMI 230 de núcleo sólido, seis medios 232 de
desplazamiento de fase, una serie 234 amplificadora de diodos que
aumenta gradualmente y un combinador MMI 236 de núcleo hueco.
El repartidor MMI 230 de núcleo sólido se
fabrica con GaAs y tiene una sola guía de ondas 238 de entrada, una
región multimodo 240 y seis guías de ondas 242 de salida. La anchura
(w_{1}) y la longitud (l_{1}) de la región multimodo 240 se
seleccionan de forma tal que un haz 241 de entrada, acoplado a la
guía de ondas 238 de entrada, se reparte en 6 guías de ondas 242 de
salida.
Cada una de las 6 guías de ondas 242 de salida
se despliega en abanico a unos medios 232 de desplazamiento de
fase. Los medios 232 de desplazamiento de fase comprenden
moduladores electro-ópticos, fabricados también con GaAs, que
imponen un desplazamiento de fase al haz óptico al aplicarle una
tensión adecuada. Los desplazamientos de fase aplicados a cada haz
para asegurar una recombinación eficiente se rigen por la ecuación
(3) anterior. Los medios 232 de desplazamiento de fase compensan
también los errores de fase introducidos por el propio proceso de
despliegue en abanico. Los errores de fase que se introducen durante
el proceso de fabricación, tal como un error de hendidura, las
inconsistencias en las propiedades de la guía de ondas, pueden ser
compensadas con los medios 232 de desplazamiento de fase.
Debe observarse que además de que se necesita
conseguir las compensaciones de fase apropiadas para una
recombinación eficiente, los haces deben ser también iguales en
amplitud. La corrección de igualación de amplitud puede conseguirse
de una diversidad de formas, que son conocidas para los expertos en
la técnica. Por ejemplo, podría colocarse un atenuador variable de
Mach-Zehnder (no ilustrado) en cada una de las guías
de ondas 242 de salida, antes de los medios 232 de desplazamiento
de fase.
Los haces con desplazamiento de fase que salen
de los medios 232 de desplazamiento de fase, están acoplados a una
serie amplificadora 234 de diodos que aumenta gradualmente, que
amplifican individualmente cada uno de los 6 haces. Un amplificador
de aumento gradual adecuado para esta tarea está descrito en el
artículo de F Wilson y otros colaboradores, en Electronics Letters,
del 7 de Junio de 1999, Vol. 35, núm. 1.
Una vez amplificados, los 6 haces ópticos quedan
acoplados directamente en la región multimodo 244 del recombinador
MMI 236 de núcleo hueco. Para asegurar que las reflexiones sean
mínimas en el interfaz entre los elementos sólidos de la serie
amplificadora 234 de aumento gradual de diodos, y la región
multimodo 244 de núcleo hueco, se disponen recubrimientos
antirreflectantes 246.
La anchura (w_{2}) y la longitud (l_{2}) de
la región multimodo 244 se seleccionan de forma tal que los seis
haces amplificados que entran en esa región se recombinan y el haz
amplificado 247 de salida sale del dispositivo a través de la guía
de ondas 248 de salida. Debe observarse que las dimensiones del
repartidor MMI 230 de núcleo sólido y el recombinador MMI 236 de
núcleo hueco son diferentes, debido a la diferencia en el índice de
refracción del GaAs y el aire (aproximadamente 3,5 en comparación
con 1,0, respectivamente); esto hace que el repartidor MMI 230 de
núcleo sólido sea físicamente menor en tamaño que el recombinador
MMI 236 de núcleo hueco.
Aunque se ha descrito un amplificador de
1-a-6-a-1
anteriormente, una persona experta en la técnica reconocería que es
posible un grado mucho más alto de repartición y recombinación. A
medida que la cantidad de potencia que requiere la combinación
óptica aumenta, la capacidad de manejo de potencia del recombinador
debe aumentar consecuentemente.
En un amplificador híbrido del tipo descrito en
la figura 8, los dispositivos MMI de núcleo sólido se utilizan para
repartir el haz de radiación incidente, ya que tales dispositivos
son típicamente más compactos que los equivalentes de núcleo hueco
y proporcionarán un reparto eficiente de un haz incidente de baja
potencia. Sin embargo, cuando se recombinan las señales
amplificadas, los dispositivos de núcleo sólido serían incapaces de
manejar el incremento de potencia óptica sin que ocurran daños al
material del núcleo sólido. El uso de un recombinador MMI del tipo
descrito con referencia a las figuras 3 y 4, permite una eficiente
recombinación de los haces de alta intensidad sin la posibilidad de
daños al núcleo del dispositivo recombinador.
Los dispositivos MMI descritos anteriormente
proporcionan un reparto en una dirección (por ejemplo, la
horizontal). Sin embargo, es posible proporcionar también un
reparto en una segunda dimensión (por ejemplo, la vertical), como
se describe con referencia a las figuras 17 y 18 del documento US
5.410.625. De esta manera, un solo haz de entrada puede ser
repartido en M x N haces. El reparto bidimensional puede
considerarse como un reparto de N vías en una primera dimensión
(por ejemplo, la horizontal) y un reparto de M vías en una segunda
dimensión (por ejemplo, la vertical).
Para el caso de un campo simétrico alimentado en
una guía de ondas rectangular que admita la propagación multimodo
en dos dimensiones, los repartos en M vías y N vías pueden venir
dados por:
(4a)L^{sim}_{W1_{N}} =
\frac{pW_{1}^{2}}{\lambda} +
\frac{W_{1}^{2}}{M\lambda}
(4b)L^{sim}_{W2_{N}} =
\frac{qW_{2}^{2}}{\lambda} +
\frac{W_{2}^{2}}{N\lambda}
donde W_{1} es la anchura de la
guía, W_{2} es la profundidad de la guía, p y q son enteros y
\lambda es la longitud de onda de la luz que se propaga. Por
tanto, seleccionando pW_{1} y qW_{2} de forma que
L^{sim}_{W1_{N}} = L^{sim}_{W2_{N}}, se proporcionará un campo
de M x
N.
Para el caso de un campo asimétrico alimentado
en una guía rectangular que admita la propagación multimodo en dos
dimensiones, los repartos en M vías y N vías pueden venir dados
por:
(5a)L^{asim}_{W1_{N}} =
\frac{8pW_{1}^{2}}{\lambda} +
\frac{4W_{1}^{2}}{M\lambda}
(5b)L^{asim}_{W2_{N}} =
\frac{8qW_{2}^{2}}{\lambda} +
\frac{4W_{2}^{2}}{N\lambda}
donde W_{1} es la anchura de la
guía, W_{2} es la profundidad de la guía, p y q son enteros y
\lambda es la longitud de onda de la luz que se propaga. Por
tanto, seleccionando pW_{1} y qW_{2} de forma que
L^{asim}_{W1_{N}} = L^{asim}_{W2_{N}}, se proporcionará un campo
de M x N. Más aún, alimentar un modo fundamental en una región de
guías de ondas multimodo es análogo a introducir un campo
multimodo.
Claims (24)
1. Un dispositivo (90) de interferencia
multimodo, que comprende una región (32) de guías de ondas multimodo
de núcleo hueco, ópticamente acoplada al menos a una guía de ondas
(30) de entrada de núcleo hueco, donde las superficies internas de
dichas guías de ondas de núcleo hueco llevan un recubrimiento
reflectante (92) y caracterizado porque las superficies
opuestas que forman la sección transversal rectangular interna de la
región de guías de ondas multimodo de núcleo hueco tienen
sustancialmente iguales índices de refracción efectivos y porque
las superficies contiguas que forman la región de guías de ondas
multimodo de núcleo hueco de sección transversal interna
rectangular, tienen diferentes índices de refracción efectivos.
2. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 1, en el que el recubrimiento reflectante comprende
al menos una capa de material que tiene un índice de refracción
inferior al del núcleo de la guía de ondas, dentro de la banda de
longitudes de onda de funcionamiento.
3. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 2, en el que al menos una de las al menos una capa
de material que lleva la superficie interna de las guías de ondas de
núcleo hueco es un metal.
4. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 3, en el que el metal es cualquiera entre el oro, la
plata o el cobre.
5. Un dispositivo como se reivindica en
cualquier reivindicación precedente, en el que el recubrimiento
reflectante comprende una o más capas de material dieléctrico.
6. Un dispositivo como se reivindica en
cualquier reivindicación precedente, con un tamaño tal que funciona
con la radiación entre 1,4 \mum y 1,6 \mum de longitud de
onda.
7. Un dispositivo como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos
una guía de onda de entrada de núcleo hueco es una guía de ondas de
modo fundamental.
8. Un dispositivo como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que al menos una
guía de ondas de entrada de núcleo hueco es una guía de ondas
multimodo.
9. Un dispositivo según la reivindicación 9, en
el que las dimensiones de la región de guías de ondas multimodo de
núcleo hueco se seleccionan de forma que proporcionen una
re-formación de imágenes del campo óptico de
entrada transportado por dicha al menos una guía de ondas de entrada
de núcleo hueco.
10. Un dispositivo como se reivindica en
cualquier reivindicación precedente, en el que las guías de ondas
huecas del dispositivo de interferencia multimodo se forman con
material semiconductor.
11. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 10, en el que el material semiconductor comprende el
silicio.
12. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 10 o la reivindicación 11, en el que las guías de
ondas de núcleo hueco se forman utilizando técnicas de
micro-fabricación de semiconductores.
13. Un dispositivo según la reivindicación 12,
en el que la técnica de micro-fabricación de
semiconductores en el Ataque químico Profundo por Iones
Reactivos.
14. Un dispositivo como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las guías de
ondas de núcleo hueco se forman en una capa de plástico o
polímero.
15. Un dispositivo como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las guías de
ondas de núcleo hueco se forman con vidrio.
16. Un dispositivo como se reivindica en
cualquier reivindicación precedente, en el que las guías de ondas
de núcleo hueco comprenden gas.
17. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 16, en el que el gas es aire.
18. Un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 16, en el que el gas es un medio de ganancia
óptica.
19. Un dispositivo como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que el núcleo hueco
comprende un líquido.
20. Un amplificador óptico (110; 180, 114, 190;
210, 212, 214; 230, 232, 234, 236) que comprende un repartidor
(112; 180; 210; 230) de haces de
1-a-N vías, un amplificador óptico
(114; 221; 234) de múltiples elementos, y un recombinador (116;
190; 214; 236) de haces conectado en serie óptica, actuando el
amplificador óptico sobre al menos una de las salidas del
repartidor de haces de 1-a-N vías,
caracterizado porque el al menos uno entre el repartidor de
haces de 1-a-N vías y el
recombinador de haces, comprende un dispositivo de interferencia
multimodo de núcleo hueco, como se reivindica en cualquiera de las
reivindicaciones 1-19.
21. Un amplificador óptico como se reivindica en
la reivindicación 20, en el que el repartidor de haces de
1-a-N y el recombinador de haces
comprenden ambos dispositivos de interferencia multimodo de núcleo
hueco como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones
1-19.
22. Un amplificador óptico, como se reivindica
en la reivindicación 20, en el que el repartidor de haces de
1-a-N comprende un dispositivo
repartidor de interferencia multimodo de núcleo sólido.
23. Un amplificador óptico como se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22 y que comprende además
medios (196; 212; 232) de compensación de fase para ajustar las
fases relativas de los haces amplificados, antes de la
recombinación de haces en el recombinador de haces.
24. Un resonador que comprende:
- un reflector parcial (166);
- unos medios (152; 200) repartidores/recombinadores
- un amplificador óptico (114) de elementos múltiples, y
- un reflector (164),
estando configurados el reflector
parcial, los medios repartidores/recombinadores, el amplificador
óptico de elementos múltiples y el reflector, de manera que los
medios repartidores/recombinadores reparten un solo haz en N haces,
donde N es mayor o igual a 2, cada uno de los N haces es amplificado
por el amplificador óptico de elementos múltiples, reflejado por el
reflector y redirigido para que vuelva a pasar a través del
amplificador de elementos múltiples, siendo recombinados después
los N haces por los medios repartidores/recombinadores para formar
un solo haz, saliendo del resonador una parte del haz único a través
del reflector
parcial,
caracterizado porque los medios
repartidores/recombinadores son un dispositivo de interferencia
multimodo de núcleo hueco, como se reivindica en cualquiera de las
reivindicaciones 1-19.
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