ES2695323B2 - Metodo de configuracion y optimizacion de dispositivos fotonicos programables basados en estructuras malladas de guiaondas opticas integradas - Google Patents
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Description
DESCRIPCION
METODO DE CONFIGURACION Y OPTIMIZACION DE DISPOSITIVOS FOTONICOS
PROGRAMABLES BASADOS EN ESTRUCTURAS MALLADAS DE GUIAONDAS
OPTICAS INTEGRADAS
5
OBJETO DE LA INVENCION
El objeto de la invention se enmarca en el campo tecnico de la flsica.
10
Mas concretamente el objeto de la invencion tiene su ambito en el campo de la fotonica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
15 Existe una amplia literatura en estructuras integradas opticas programables. Las podemos diferenciar en dos tipos: una primera baterla de dispositivos que ofrecen la programacion de subsistemas y el acceso a los mismos y una segunda basadas en la discretization completa de todos los subsistemas y sistemas de enrutado en gulas de ondas que conforman estructuras malladas. Entre ambos tipos se pueden catalogar las matrices de conmutacion 20 optica.
La fotonica multifuncional programable (PMP) busca el diseno de sistemas opticos integrados comunes mediante configuraciones de hardware que pueden implementar una amplia variedad de funcionalidades mediante programacion. Varios autores han reportado 25 trabajos teoricos proponiendo diferentes configuraciones y principios de diseno basados en la cascada de divisores de haz o Interferometros
Mach Zehnder
integrados (MZIs).
Una arquitectura mas versatil se puede obtener siguiendo principios similares a los de los desarrollos basados en arrays de puertas programables de campo (FPGA) en electronica 30 dando lugar a los arrays de puertas fotonicas programables (FPPA). El concepto principal es desglosar circuitos complejos en una gran red de unidades de sintonizacion unitarias identicas implementadas e interconectadas por medio de una malla o red de gula de onda bidimensional (2D) integrada. De esta manera se pueden obtener diferentes funcionalidades seleccionando el camino adecuado a traves de la malla y los desfases locales. Asl, una 35 funcionalidad compleja se sintetiza mediante la programacion de interferencias opticas
activando los recursos necesarios dentro de la malla. Las mallas 2D integradas formadas por la replication de una unidad de sintonizacion conforman celdas uniformes (cuadrada, hexagonal o triangular) que proporcionan geometrlas regulares y periodicas, donde cada lado de la celda basica se implementa mediante dos gulas de onda acopladas por una 5 unidad basica sintonizable (TBU) independiente (division de potencia y fase).
Hoy en dla, se han demostrado configuraciones con un numero reducido de celdas (es decir, hasta siete) que demuestran la capacidad de emular tanto arquitecturas de proceso de senal tradicional como transformaciones de matriz lineales arbitrarias de uso comun como 10 base en la mayorla aplicaciones dirigidas a chips fotonicos. Por ejemplo, en information cuantica, soporte de transformaciones NxN en implementation de puertas logicas simples y complejas, emulacion de circuitos de muestreo de bosones y laboratorios cuantico en un chip
(quantum lab-on-a-chip).
15 Las mallas de gula de onda abren el camino para sistemas de informacion cuantica integrados reconfigurables a gran escala con un potencial para reemplazar los enfoques actuales basados en configuraciones estaticas. En las interconexiones de procesadores informaticos, el interprocesador de banda ancha reconfigurable y las interconexiones informaticas son fundamentales en computation de alto rendimiento y centros de datos. Las 20 transformaciones lineales fotonicas proporcionan una option limpia, sin diafonla y de alta velocidad para la gestion de recursos del procesador central. En senal optica el procesamiento y transformaciones lineales que pueden ser compatibles con los procesadores PMN basados en la gula de onda en mallas 2D incluyen varias operaciones que son fundamentales para el procesamiento de la senal optica, como, por ejemplo: FFT 25 optica, transformation de Hilbert, integradores y diferenciadores. En neurofotonica, las transformaciones de matriz unitaria (NxM) y no unitaria (NxM) son elementos fundamentales que preceden a las operaciones de umbral no lineal en redes neuronales. La disponibilidad de procesadores PMP abre una via interesante de investigation en este campo emergente. En biofotonica, los PMP admiten la implementacion de sensores con entrada simple y 30 multiple / salida multiple (MIMO) que permiten la implementacion de estructuras interferometricas para
lab-on-a-chip
capaces de detectar una multiplicidad de parametros.
Por ultimo, pero no menos importante, en flsica avanzada, la malla de gula ondas proporciona una plataforma 2D programable para implementar diferentes sistemas 35 topologicos, como estructuras de cavidades de multiples anillos para apoyar la investigacion en dimensiones sinteticas y dispositivos basados en Principios de aislamiento topologico.
La extension de las mallas de la gula de ondas 2D para dar cuenta de un mayor numero de numero de TBUs (> 80) es imprescindible para implementar estructuras mas complejas y conducen a los circuitos integrados fotonicos de escala grande (LS) o escala muy grande (VLS).
5
La escalabilidad aumenta dramaticamente la cantidad de funcionalidades que se pueden implementar con un hardware determinado. Sin embargo, la escalabilidad de las mallas de gulas de onda origina que la configuration y las prestaciones obtenidas de los circuitos programados se vean afectadas por perdidas excesivas, niveles de interferencias opticas no 10 deseadas y un aumento en la complejidad de configuracion del sistema. La configuracion global de la malla apoyada unicamente en un mapeo inicial que asume el comportamiento ideal de las TBU resulta menos fiable a medida que se aumenta el numero de TBUs. Ademas, el funcionamiento deficiente de una unica TBU puede ocasionar graves deterioros en el comportamiento global del circuito. Por otro lado, al igual que ocurre con cualquier 15 circuito optico con elementos no ideales, las prestaciones se reducen por la acumulacion de interferencias opticas no deseadas. Por ejemplo, en el caso practico de slntesis/emulacion de matrices de conmutacion, una portion de la senal de salida puede derivarse a puertos no deseados actuando como ruido. El grado de acoplo no deseado depende del grado de interferencia optica de cada componente (TBU en el caso de mallas de gulas de onda). Por 20 el mismo motivo, un mallado de gulas de onda emulando dos circuitos al mismo tiempo produce un acoplo indeseado entre ambos. La conexion flsica entre ambos es evidente y los niveles de interferencia no-deseada pueden de nuevo limitar las prestaciones obtenidas.
Para superar estas limitaciones flsicas y de diseno se debe disponer de un metodo de 25 configuracion y optimization de prestaciones escalable. Este metodo es ademas imprescindible para realizar un mapeo tecnologico optimo del circuito a emular sobre los recursos hardware ofrecidos por la malla. El nucleo de este metodo requiere una correcta caracterizacion espectral representada por la matriz global de dispersion del sistema. Una vez obtenida, diferentes algoritmos de optimizacion deberlan modificar los parametros de 30 cada TBU para producir la configuracion y la mejora de prestaciones deseada mediante la evaluation de la matriz de dispersion. El elevado numero de puertos de entrada / salida y las interconexiones internas que permiten la propagation y re-alimentacion en multiples direcciones en la estructura 2D hacen que tecnicas de configuracion y optimizacion convencionales no puedan ser utilizadas. De hecho, aqul reside la diferencia entre una pura 35 tecnica de analisis matematico de una estructura 2D y el proceso de optimizacion propuesto.
Mientras que en la primera solo es necesario poder caracterizar el efecto que los recursos empleados ejercen sobre la transferencia entre los puertos de entrada y salida de senal util, en los procedimientos de optimization es necesario tener en cuenta el efecto de TODOS los recursos sobre todas las posibles configuraciones entrada y salida, puesto que la 5 optimizacion del funcionamiento de la estructura requiere disponer de information acerca de los recursos empleados asl como tambien de los que quedan, en principio, en reposo.
A dla de hoy, se tiene constancia de:
10 US2015086203A1 "Method and apparatus for optical node construction using field programmable photonics” y US2018139005A1 donde respectivamente se detalla un aparato para enrutar senales opticas. No se trata de un procesador de senal programable, si no de un dispositivo para encaminar/amplificar canales de un puerto a otro con la posibilidad de seleccionar la longitud de onda. Estos dispositivos se conocen en el arte como matrices 15 opticas de conmutacion.
US2018234177A1 donde se describe una matriz de circuito integrado programable para pruebas opticas definido por una estructura fija para testear dispositivos de transmision/recepcion de senal. El mismo puede modificar el tipo de modulacion, potencias y 20 velocidades.
WO2016028363A2 donde se detalla un circuito integrado fotonico programable que implementa transformaciones opticas lineales arbitrarias en el modo espacial con alta fidelidad. Bajo un modelo de fabrication realista, se analizan las implementaciones 25 programadas de la puerta CNOT, la puerta CPHASE, el algoritmo de estimation de fase iterativa, la preparation del estado y los recorridos aleatorios cuanticos. La programabilidad mejora dramaticamente la tolerancia del dispositivo a las imperfecciones de fabricacion y permite que un solo dispositivo implemente una amplia gama de experimentos de optica lineal tanto cuanticos como clasicos. Los resultados sugieren que los procesos de 30 fabricacion existentes son suficientes para construir dicho dispositivo en plataformas de fotonica de silicio. Este documento, se puede entender como referido a un dispositivo interferometrico que realiza transformaciones opticas lineales. Dicho dispositivo unicamente es capaz de realizar combinaciones progresivas de la senal, es decir, la senal no puede recircular ni combinarse en nodos simultaneos o de nivel anterior.
35
WO2004015471A2 donde se hace referenda a un conjunto de bloques funcionales conectados entre si mediante una matriz optica de enrutamiento/conmutacion. Se detalla un dispositivo cuyos bloques funcionales estan fisicamente fabricados de manera personalizada antes de ser programados. El usuario elige si accede o no a los mismos 5 mediante la conmutacion de circuitos.
Asimismo, se conoce el documento titulado "Reconfigurable lattice mesh designs for programmable photonic processors and universal couplers” de Perez Daniel; Gasulla Ivana; Capmany Jose; Soref Richard A., publicado en 2016 18th International Conference on 10 Transparent Optical Networks (ICTON), donde se detallan dos geometrias de diseno de malla, la reticula hexagonal y triangular, para la implementacion de nucleos opticos sintonizables en procesadores fotonicos programables y acopladores universales. Se comparan con una topologia de malla cuadrada propuesta anteriormente en terminos de una serie de cifras de merito que tienen en cuenta las metricas que son relevantes para la 15 integracion en el chip del hallazgo de malla que la malla hexagonal es la opcion mas adecuada. Y tambien que el documento titulado "Multiporpose silicin photonics processor core” (https://www.nature.com/articles/s41467-017-00714-1) de Perez Daniel; Gasulla Ivana; Capmany Jose et al., publicado en
Nature communications
el 27 de noviembre de 2017, detalla circuitos integrados fotonicos espedficos de la aplicacion, en los que circuitos / chips 20 particulares estan disenados para realizar funcionalidades particulares de manera optima.
Un enfoque diferente inspirado en las matrices de compuertas programables de campo electronicas es el procesador fotonico programable, donde un hardware comun implementado por una malla de guia de ondas fotonicas bidimensionales realiza diferentes funcionalidades a traves de la programacion. Se divulgan mas de 20 funcionalidades 25 diferentes con una estructura simple de siete celdas hexagonales, que se puede aplicar a diferentes campos, incluidas las comunicaciones, deteccion quimica y biomedica, procesamiento de senal, redes multiprocesador y sistemas de informacion cuantica. Si bien en ambos documentos se hace referencia a las geometrias de malla a la par que se proponen y comparan las arquitecturas fisicas y ejemplos simples de configuracion. Sin 30 embargo, no se trata ni se propone ningun metodo para su configuracion efectiva, y optimizacion de prestaciones para mallas con un numero arbitrariamente elevado de TBUs. Por ejemplo, analizar analrticamente las mallas presentadas puede resolverse en cuestion de dias. Sin embargo, pasar de 4 celdas a 20 hace que su desarrollo analrtico con metodos convencionales resulte impracticable. Lo mismo ocurre con su configuracion, programacion 35 y optimizacion de los circuitos. Por tanto, es necesario un metodo aplicable a todo tipo de estructuras malladas.
De manera similar, en el documento titulado “All-optical programmable photonic integrated circuit: An optical analogy to electronic FPGA” de los autores Depeng Mao; Peng Liu; Liang Dong, publicado en 2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS 2011); Beijing, China; 5 - 9 June 2011, describe 5 una plataforma fotonica totalmente programable de circuitos integrados programables aprovechando las ventajas de tres tecnicas: cristales fotonicos de silicio bidimensionales, dispositivos digitales de microespejo y cristales llquidos foto sensibles. Este documento basicamente propone una plataforma fotonica “programable” de circuitos integrados. Realmente se trata de un dispositivo programado en mascara (con grandes equipos de 10 laboratorio o empresa de fabrication de chips, mas que un dispositivo programado en campo
(field-programmed).
Concretamente se basa en la fotosensibilidad de los componentes para modificar el Indice efectivo de las gulas de onda y se describe la metodologla o mecanismo de sintonizacion de la plataforma.
15 DESCRIPCION DE LA INVENCION
El objeto de la invention es un metodo de configuration y optimization de prestaciones escalable para circuitos opticos programables basados en estructuras malladas, de tal manera que puedan realizar funciones de procesado optico/cuantico de senal; en adelante 20 metodo de la invencion o metodo objeto de la invencion.
El metodo de la invencion comprende, en primer lugar, una discretizacion/segmentacion/division de la malla en unidades mas pequenas TBUs o conjunto de TBUs que replicados forman la malla. A continuation, el nucleo del metodo 25 objeto de la invencion requiere una correcta caracterizacion espectral representada por la matriz de dispersion del sistema, es decir, la respuesta en frecuencia completa (angulo y fase de todos los puertos de entrada/salida) de estructuras altamente acopladas. Una vez obtenida, diferentes algoritmos de optimizacion modifican el parametro o los parametros de cada TBU para producir la configuracion y la mejora de prestaciones deseada; dicho 30 parametro a optimizar esta relacionado con la programacion del dispositivo optico programable, por ejemplo se puede seleccionar de entre el conjunto consistente en: consumo total de potencia, reduction de perdidas, reduction de interferencias y diafonlas, aislamiento entre circuitos y reduccion de area empleada. Por ejemplo, se pueden modificar las TBUs inactivas que no forman parte del objetivo principal para reducir las interferencias 35 opticas y proporcionar una relacion senal a ruido optimas minimizando los valores correspondientes de la matriz del sistema. Ademas, se puede optimizar parcialmente el
sistema respetando un compromiso entre consumo de potencia total y optimization realizando la optimizacion unicamente en un subconjunto de TBUs inactivos. La aplicacion del metodo habilita la viabilidad de estructuras fotonicas programables altamente acopladas (malladas), en adelante mallas y como resultado se obtienen ventajas tecnicas.
5
Para la obtencion de la matriz de dispersion que caracteriza el sistema, el elevado numero de puertos de entrada / salida y las interconexiones internas que permiten la propagation y realimentacion en multiples direcciones en la estructura 2D hacen que tecnicas de configuracion y optimizacion convencionales no puedan ser utilizadas
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A modo de explication descriptiva no limitante aplicando a mallas de topologla hexagonal el metodo objeto de la invention, se tiene una segmentation de mallas de gulas de ondas hexagonales 2D en bloques basicos n-1 bloques formados por tres TBU cada uno (en adelante tri-TBU). Una vez segmentado, se obtiene de forma recursiva la matriz de 15 dispersion analltica que define la malla completa en funcion de la matriz que definla la malla con n-1 tri-TBUs y la matriz de dispersion que define la nueva tri-TBU a incorporar. Como resultado se obtiene la matriz de dispersion analltica de cualquier circuito de malla de gula de onda fotonica integrada compuesta por un numero arbitrario de TBUs. A continuation, se modifican los valores de cada TBU y se repite el proceso para conseguir mejoras en las 20 prestaciones deseadas (relativas al funcionamiento de proposito especlfico o genericas como reduccion de interferencia optica, consumo de potencia o perdidas acumuladas en circuitos fotonicos complejos programables.
De nuevo, el metodo de la invencion permite disenar las regiones (TBUs) no utilizadas de la 25 malla de la gula de onda para que puedan emplearse para gestionar contribuciones no deseadas de senales reflejadas y de interferencia y, por lo tanto, optimizar el rendimiento del chip; permitiendo asimismo estudiar todas las respuestas de entrada / salida mientras los parametros internos de las unidades sintonizables basicas
(tunable basic units
(TBU)) varlan, haciendo posible la optimizacion de errores a traves de optimizacion multiparametro 30 con la incorporation de algoritmos de aprendizaje automatico para la autoconnection de circuitos.
El metodo propuesto aqul esta desarrollado para una malla de gula de onda hexagonal, sin embargo, se puede aplicar a cualquier topologla de malla 2D uniforme y no uniforme; el 35 nucleo del metodo parte de la aplicacion de la induction matematica (IM), que es una tecnica que puede emplearse para probar alguna regla o patron en particular, generalmente
infinito o arbitrariamente grande y se basa en dos pasos, un paso base donde se establece un caso simple y un paso de induction, que implica mostrar que un ejemplo grande arbitrario se deriva logicamente de uno ligeramente mas pequeno. En terminos matematicos, el principio de induccion establece que para un entero fijo b y para cada entero
n > b ,
sea S 5 (n) una afirmacion que incluya n. Si (i) S (b) es verdadero y (ii) para cualquier entero
k>b, S (k) ^ S (k 1)
entonces para todos n>b, la declaration S (n) es verdadera. Este principio aparentemente simple oculta, de hecho, una tecnica de prueba muy solida que encuentra aplicaciones en una gran variedad de campos que incluyen probabilidad, geometrla, teorla de juegos, teorla de grafos, complejidad de sistemas y sistemas artificiales.
10
El objeto de la invention permite ser aplicado a la fotonica programable, la cual tiene aplicaciones en innumerables campos, solo por nombrar algunos:
• Fotonica RF: filtros reconfigurables, llneas de retardo de tiempo real sintonizables, 15 cambios de fase, arbitrarios, generadores de forma de onda, ADCs, medicion de frecuencia.
• Cuantica: Implementation de transformaciones unitarias generales NxN que apoyan la operation de puertas logicas, emulation de circuitos aleatorios y laboratorio cuantico en un chip.
20 • Telecomunicaciones: Conmutadores, multiplexores de adicion / calda, convertidores de modo en Sistemas SDM.
• Interconexiones: Interconexiones reconfigurables de banda ancha e interconexiones informaticas.
• Procesamiento de senales opticas: FFT opticos, transformadas de Hilbert, 25 integradores, diferenciadores.
• Neurofotonica: Transformaciones de matriz unitaria (NxM) y no unitaria (NxM) para Redes neuronales, computacion de espigas y yacimientos.
• Sensores: Soporte de estructuras interferometricas simples y MIMO para
lab-on-achip
y aplicaciones de deteccion multiparametrica.
30 • Flsica avanzada: Implementacion de estructuras de cavidades de anillo multiple para soportar materiales sinteticos dimensiones.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caractensticas de la invention, de acuerdo con un ejemplo preferente de 5 realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha description, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra diferentes circuitos mallados y opciones de segmentation en TBUs o 10 subconjunto de TBUs. Todos ellos y cualquier circuito que pueda discretizarse en unidades identicas de sintonizacion son susceptibles de la aplicacion del metodo presentado. (a) Aplicacion en mallas cuadradas, (b) aplicacion en mallas hexagonales, (c) aplicacion en mallas triangulares.
15 Figura 2.- Muestra la discretization en TBUs para diferentes topologias de circuitos mallados (a) Uniforme hexagonal, (b) Uniforme cuadrada, (c) Uniforme triangular, (d) Uniforme interferometro de propagation unidireccional y (e) no uniforme en la que cada TBU puede tener una orientation y un tamano diferente.
20 Figura 3.- Muestra el bloque de construction tri-TBUs para mallas de guias de onda hexagonales 2D y la relation de aumento entre el numero de nodos opticos y puertos opticos con el numero de celdas. (a), tri-TBU compuesto de tres TBU y simbolo asociado, (b), dos tri-TBUs interconectados por el nodo optico P1, (c) Tres tri-TBUs que crean una celda hexagonal cerrada, (d), ocho tri-TBUs interconectados para obtener una malla de g tia de onda formada 25 por cuatro celdas. (e), numero de nodos opticos (ON) y puertos opticos versus numero de celdas cerradas (C) en un circuito fotonico integrado de mall guia de onda IC.
Figura 4.- Muestra de manera ilustrada el metodo inductivo para obtener la matriz de dispersion
H(n)
de una malla de guia de ondas 2D hexagonal compuesta de n unidades tri-TBU basicas 30 mediante la adicion de una unidad de tri-TBU
H{
1) a una malla de guia de ondas 2D hexagonal compuesta de n-1 unidades de tri-TBU basicas
H(n
- 1) y un diagrama de flujo de senal general para derivar
H(ri)
en funcion de
h(n
- 1) y
H(
1). a, Escenario de interconexion 0. b, Escenario de interconexion 1. c, Escenario de interconexion 2. d, Escenario de interconexion 3.
35 Figura 5.- Muestra de manera ilustrada el escenario 0. (a) Esquema de conexion con malla n - 1 , (b) diagrama de interconexion con la etiqueta contribuciones, (c) secciones resultantes de la matriz. S l : x = P - 1,. La contribution directa dentro de los puertos de la red N no esta incluida en la grafica.
Figura 6.- Muestra de manera ilustrada el escenario 1. (a) Esquema de conexion con malla
n
-
1, (b) diagrama de interconexion con la etiqueta contribuciones, (c) secciones resultantes de la matriz. SI:
x =
P - l , y
=
P
.
La contribution directa dentro de los puertos de la red N no esta incluida en la grafica.
Para los grafos que muestran el flujo de senal, las conexiones
N, M, X, Y,F,D E F ' , Q, R, CD' , A B', S, U, I,], B, F, hyy, hzz, hxx representan rutas de flujo de senal con funciones de transferencia dadas por los coeficientes de la matriz de dispersion H(n-1). Las conexiones K,L,0,P,A,H,C,E,T,G,V,W representan las vlas de flujo de senal adicionales que resultan de la tri-TBU adicional.
Figura 7.- Muestra de manera ilustrada el escenario 2. (a) Esquema de conexion con malla n-1, (b) diagrama de interconexion con la etiqueta contribuciones, (c) secciones resultantes de la matriz. x = P - 1 , y = P. Notar que la contribucion directa dentro de los puertos de la red N no se incluye en la grafica.
Figure 8.- Muestra de manera ilustrada el escenario 3. (a) Esquema de conexion con malla n - 1 , (b) diagrama de interconexion con las contribuciones etiquetadas, (c) secciones de matriz resultantes. x = P - 2,y = P - l , z = P . La contribucion directa dentro de los puertos de la red no se incluye en el grafico.
Figuras 9-11.- Ilustran ejemplos practicos de uso del metodo y las ventajas tecnicas obtenidas. En el primer caso se ha configurado una estructura que implementa un filtro optico basado en cavidades interferometricas y se ha evaluado la respuesta del mismo para cada combination de configuraciones de TBU exploradas. Para el segundo caso (Figura 10), la malla se programa para realizar un circuito optico complejo formado por 4 cavidades resonantes cargadas en un interferometro MZI balanceado. La optimization se lleva a cabo para evaluar las prestaciones relacionadas con el filtrado (rango de extincion, perdidas y rizado en la banda de paso). Para el tercer caso (Figura 11), la malla implementa dos circuitos independientes. El primero esta basado en tres cavidades acopladas y el segundo es un filtro de dos muestras de tipo MZI no balanceado. La figura muestra que la aplicacion del metodo propuesto devuelve una mejora en la reduction de interferencias opticas entre circuitos, mejorando el rendimiento de ambos.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
En un ejemplo de realization preferente del objeto de la invention se parte de una malla de gulas de onda 2D formadas a partir de la replication de un elemento de sintonizacion basico 5 implementado mediante dos gulas de onda acopladas por una unidad basica sintonizable (TBU) independiente (en division de potencia y fase) unidad basica sintonizable (TBU) que se configura mediante elementos de sintonizacion basados en: MEMS, sintonizacion termooptica, sintonizacion electro-optica o sintonizacion optomecanica o electro-capacitiva.
10 Esta unidad basica sintonizable (TBU) se puede implementar preferentemente mediante interferometros de Mach-Zehnder (MZI), balaceados, sintonizables o mediante un acoplador direccional de doble accionamiento y representable mediante una matriz de transmision de 2x2 Htbu. Dependiendo de la orientation y la interconexion de las TBUs se originan topologlas uniformes (cuadradas, hexagonales, triangulares etc.) o no uniformes si cada 15 TBU tiene una longitud y una orientation arbitraria. A continuation, se realiza una segmentation teorica en TBUs o subconjunto de TBUs de la malla objetivo para la aplicacion de implementation de la induction matematica (IM). En el caso de mallas de gula de ondas hexagonales, una opcion para el bloque de construccion basico o tri-TBU esta formado por tres TBU (A, B y C) conectados en una configuration en Y tal y como se 20 muestra en la Figura 3.a. El conjunto tri-TBU se describe mediante una matriz de dispersion 6x6 calculada a partir de las tres matrices de dispersion Htbu que describen sus respectivos TBU internos. Para ayudar en la ilustracion grafica del metodo, emplearemos un slmbolo de triangulo para representar la tri-TBU, donde cada puerto tiene, en principio, conexiones internas a los cuatro puertos opuestos (es decir, el puerto 1 a los puertos 3,4,5,6, etc.). La 25 tri-TBU puede replicarse y distribuirse N veces para generar cualquier disposition de malla hexagonal deseada de cualquier tamano. Por ejemplo, las Figuras 3b y 3c muestran el proceso que lleva a la construction de una sola celda hexagonal compuesta por tres tri-TBU (emplearemos la notation Ai, Bi, Ci para identificar los TBU que componen el tri-TBU i).
30 Incluso para la estructura mas simple que representa la celda unitaria, ya se tienen doce puertos de entrada / salida y seis nodos auxiliares intermedios necesarios para el calculo de la matriz de transferencia de 12x12 (es decir, 144 elementos). Con un numero creciente de celdas, las cifras anteriores muestran un aumento drastico. Por ejemplo, la estructura de cuatro celdas que se muestra en la figura 3.d, que aun es una estructura de baja 35 complejidad, cuenta con veinte puertos de entrada / salida, treinta y ocho nodos internos y una matriz de dispersion de 20x20 (es decir, 400 elementos). La Figura 3.e proporciona el
numero exacto de puertos de entrada / salida y los nodos internos en funcion del numero de celdas hexagonales, y muestra claramente que la derivation analrtica de matrices de dispersion para mallas 2D se vuelve aparentemente inabordable incluso para un recuento de celulas muy bajo.
5
Ademas, los metodos numericos para analizar las respuestas de los circuitos, como el FDTD
(finite-difference time domain)
y las soluciones basadas
eigen-mode,
no se escalan bien a medida que aumenta el numero de componentes en el circuito fotonico.
10 Formalmente el metodo objeto de la invention se expresa de la siguiente manera, una estructura 2D formada por un tri-TBU se describe por una matriz de dispersion unitaria
H
(1) con coeficientes conocidos. Luego, si una estructura 2D formada por n-1>1 tri-TBUs se describe mediante una matriz de dispersion unitaria
H ( n - 1 )
con coeficientes conocidos, la estructura compuesta por n tri-TBUs obtenida de la adicion de un tri-TBU adicional H (1) a la 15 primera se describe mediante una matriz de dispersion unitaria
H (n)
con coeficientes conocidos.
Este metodo permite la derivacion secuencial de la matriz de dispersion de una malla de guia de ondas hexagonal arbitraria de orden n utilizando la matriz de dispersion de la malla 20 de orden inferior anterior
H ( n -
1) y la del tri-TBU H (1) recien agregado. Su calculo final dependera de como se conecte el tri-TBU adicional a la malla de orden inferior anterior. Se pueden identificar cuatro escenarios de interconexion diferentes, como se muestra en la figura 2a, 4.a a 4.d, dependiendo de la cantidad de puertos que estan interconectados y la cantidad de nuevas celdas hexagonales completas que aparecen despues de la 25 incorporation de la nueva tri-TBU.
En un primer escenario, escenario 0, referido al caso mas simple que representa el punto de partida del diseno de una nueva malla, se tiene que solo uno de los 6 puertos que definen la trama triple es conectado a los puertos de la malla anterior la adicion del nuevo tri-TBU 30 aumenta el numero de puertos de malla en 4, incrementando el numero de filas y columnas en la matriz de dispersion, de manera correspondiente.
En un segundo escenario, escenario 1, la adicion de la nueva tri-TBU aumenta el numero de puertos de malla en 2, pero el numero de celdas hexagonales completas no aumenta.
35
En un tercer escenario, escenario 2, la adicion del nuevo tri-TBU aumenta el numero de puertos en 2 y el numero de celdas completas en 1.
En un cuarto escenario, escenario 3, la adicion de la nueva red de tres celoslas no aumenta el numero de puertos, ya que conecta 3 puertos a la malla anterior y el numero de celdas completas se incrementa en 1.
La Figuras 5-8 ilustran para cada escenario el diagrama de flujo de senal mas general que se debe tener en cuenta para derivar la matriz de dispersion global H(n) en funcion de
H(n
- 1) y
H(
1). Los nodos s
, r
mostrados en el lado izquierdo representan cualquier par de puertos de entrada y salida respectivamente (los rangos de variation permitidos para s
,
r tambien se muestran segun el escenario, donde P es el conteo de puertos de entrada / salida de H (n - 1) antes de la conexion del tri-TBU adicional). Los nodos x, y,z identifican los puertos de entrada/salida de
H(n -
1) que se emplean para conectar esta malla al tri-TBI recien agregado (los valores permitidos para x,y,z tambien se muestran en funcion del escenario). En las Figura 5-8 las conexiones
N, M, X, Y,F,DE F', Q, R, C D', A B', S, U, I,J, B, F, hyy, hzz, hxx representan rutas de flujo de senal con funciones de transferencia dadas por los coeficientes de la matriz de dispersion H ( n - 1). Mientras que las conexiones
K,L,O,P,A,H,C,E,T,G,V,W representan las vlas de flujo de senal adicionales que resultan de la tri-TBU adicional. Las funciones de transferencia (coeficientes de matriz adicionales) para estas conexiones deben calcularse para obtener la matriz de dispersion global H(ri)
.
Para poder llevar a cabo las citadas derivadas se hace uso de los cuatro escenarios antes descritos, de esta manera se tiene que:
En el escenario 0 solo uno de los 6 puertos de la nueva tri-TBU
(Latt N
) que se anade a
H (n -
1) esta conectado a la malla de orden
n -
1. Como se muestra en la Figura 4.a, la adicion de la una tri-TBU
(L a ttN )
aumenta el numero de puertos de malla en 4, y correspondientemente, el numero de filas y columnas en la matriz de dispersion
H(n).
El diagrama de interconexion, que se muestra en la Figura 5b, ilustra las posibilidades de flujo de senal dentro de la malla de orden
n -
1 y entre esta malla y la nueva tri-TBU agregada a traves del nodo de interfaz x
=
P
.
Este esquema de interconexion define un sistema de ecuaciones asociadas al nodo
x
que se puede resolver, dando lugar a las siguientes
ecuaciones (ec. 1) que proporcionan los coeficientes de matriz que caracterizan los nuevos puertos de malla de la guia de ondas:
donde
IntCon
representa las conexiones internas dadas por la matriz de dispersion de la celda unitaria adicional de triple trama
la tt n.
Escenario 1: aqui, la adicion del nueva tri-TBU
la t tn
aumenta el numero de puertos de malla en dos pero el numero de celulas hexagonales completas no aumenta, como se muestra en la Figura 6.a. Figuras 6.b. y 6.c donde se ilustra el diagrama de interconexion asociado a resolver y la matriz resultante para la malla de orden
n
respectivamente. En este caso, las ecuaciones resultantes son mas complejas ya que se requieren dos nodos de interfaz (x =
P - l e y =
P). Resolviendo el sistema de ecuaciones relacionadas con los nodos
x
= P - l e y = P se consigue que las ecuaciones (Ec.2) proporcionen los coeficientes de la matriz que caracterizan los nuevos puertos de la malla de la guia de ondas y las cuatro submatrices:
En el escenario 2 la adicion de la nueva tri-TBU aumenta el numero de puertos en dos y el numero de celdas hexagonales completas por uno, tal y como se muestra en la Figura 7.a. En este caso, el diagrama de flujo de la senal se muestra la figura 7.b donde se incluye la
posibilidad de recirculacion entre los nodos de interfaz
x
= P - l e y = P y la unidad tri-TBU recien agregada
la tt n
como se muestra en las conexiones
V, W.
El procedimiento es similar a los dos escenarios 0 y 1 anteriores resolviendo el sistema de ecuaciones asociadas a los nodos
y
,
x
; de esta manera, resolviendo el sistema de ecuaciones relacionadas con los nodos
x
= P - l e
y
= P se obtienen las ecuaciones (Ec. 3) que proporcionan los coeficientes de la matriz de dispersion que caracterizan los nuevos puertos de malla de la gula de ondas y las cuatro submatrices:
En el tercer escenario, tal y como se muestra en la figura 8.a, la adicion de la nueva tri-TBU no aumenta el numero de puertos, ya que conecta tres puertos a la malla anterior y el numero de celdas completas es aumentado en uno. Aqul, el diagrama de interconexion involucra tres nodos de interfaz
x,y,z,
(representados en Figura 8b). El procedimiento para obtener los coeficientes de las diferentes submatrices es similar a los tres escenarios anteriores, pero con mas complicacion dada la complejidad del resultado de la adicion lo cual conduce a:
Esto completa el conjunto completo de expresiones anallticas que permiten implementar el nucleo del algoritmo encargado de la evaluacion de la matriz de dispersion que define el sistema dados los valores de cada TBU. A continuation, se emplea de forma recursiva el nucleo del metodo para configurar y para optimizar las prestaciones de la malla.
5
A modo de ejemplo de implementation se aporta en este documento una serie resultados experimentales que refuerzan las aseveraciones anteriores en cuanto a la flexibilidad y las ventajas del objeto de la invention.
10 De esta manera se tiene que el metodo de la invencion se aplica para configurar, optimizar y evaluar circuitos de diferentes grados de complejidad implementados mediante la programacion de una malla de gula de onda de 40 entradas / 40 salidas. Esto implica el calculo de 40x40 = 1600 coeficientes de matriz sujetos a condiciones variables impuestas por la gran cantidad de posibles combinaciones de configuracion individual de los 15 parametros de cada TBU. Ademas, para cada longitud de onda, el metodo objeto de la invencion permite evaluar la matriz 40x40 en unos pocos segundos para cada iteration del proceso de optimization / configuration.
Claims (16)
1.-Metodo de configuration y optimization de dispositivos opticos programables basados en estructuras opticas malladas, siendo una estructura optica mallada una estructura altamente 5 acoplada definida por al menos tres o mas unidades basicas sintonizables (TBU) implementadas mediante dos gulas de onda acopladas proporcionando valores independientes de division de potencia y fase; estando el metodo caracterizado por que comprende:
a. segmentation de una malla completa en unidades basicas sintonizables 10 (TBUs) o subconjuntos de las unidades basicas sintonizables (TBUs) en una configuracion inicial,
b. determinar la respuesta en frecuencia completa con las unidades basicas sintonizables (TBUs) en una configuration inicial, donde dicha respuesta completa comprende amplitud y fase de los puertos de entrada/salida de la 15 malla de gulas de onda 2D,
c. calcular al menos un parametro de la malla de gulas de onda 2D partir del resultado del paso anterior, y
d. modificar la configuration de al menos una unidad basica sintonizable (TBU) en base al parametro calculado en el paso anterior.
20
2. - Metodo segun revindication 1 donde la respuesta en frecuencia de la malla completa se obtiene mediante la aplicacion de un metodo inductivo en el que la matriz resultante se obtiene mediante la matriz que define una malla formada por n-1 subconjuntos de unidades basicas sintonizables (TBUs) y la matriz que define un subconjunto adicional que se 25 encuentra conectado a la malla formada por n-1 subconjuntos de unidades basicas sintonizables (TBUs).
3. - Metodo segun revindication 1 donde la evaluation y la modification de las unidades basicas sintonizables (TBUs) se lleva a cabo mediante algoritmos recursivos.
30
4. - Metodo segun rev indication 3 donde los algoritmos recursivos comprenden:
a. seleccionar los elementos que conforman el circuito principal a programar, b. seleccionar un subconjunto de unidades basicas sintonizables (TBUs) colindantes al circuito a emplear y modificar su configuration,
35 c. realizar la evaluation de la malla completa del sistema que define la malla optica programable 2D,
d. comprobar el estado del parametro a optimizar,
e. calcular el cambio en la configuration de cada unidad basica sintonizable (TBU) no presente en el circuito principal, y
f. repetir los pasos b-e recursivamente hasta alcanzar la optimization 5 deseada.
5. - Metodo segun reivindicacion 2 donde el numero de puertos a conectar y el numero de cavidades nuevas originadas tras la interconexion de cada nuevo subconjunto de unidades basicas sintonizables (TBUs) define un escenario de interconexion distinto seleccionado de 10 entre:
a. un escenario 0 se define por la interconexion en un unico puerto, b. un escenario 1 se define por la interconexion de dos puertos y ninguna nueva cavidad,
c. un escenario 2 se define por la interconexion de dos puertos y el origen de 15 una nueva cavidad, y
un escenario 3 se define por la interconexion de tres puertos y el origen de una nueva cavidad.
6. - Metodo segun reivindicacion 1 caracterizado por adicionalmente utilizar para optimizar el 20 circuito principal aquellas unidades basicas sintonizables (TBUs) que no componen el circuito principal mediante repetition de la aplicacion del metodo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
7. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la etapa de evaluation global del circuito 25 programable combine la evaluacion analltica con la monitorizacion experimental de la senal optica en un subconjunto de los puertos de salida o puntos internos del circuito.
8. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la unidad basica sintonizable (TBU) es un interferometro no resonante de tipo Mach-Zehnder (MZI).
30
9. - Metodo segun reivindicacion 4 donde el interferometro de Mach-Zehnder (MZI) es balanceado, es decir, donde ambos brazos que conforman el interferometro son iguales con perdidas de 3 dB.
35 10. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la unidad basica sintonizable (TBU) es un acoplador direccional de doble accionamiento.
11. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la unidad basica sintonizable (TBU) es un interferometro resonante.
12. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la unidad basica sintonizable (TBU) tiene un 5 numero arbitrario de puertos.
13. - Metodo segun reivindicacion 1 donde la unidad basica sintonizable (TBU) se configura mediante elementos de sintonizacion basados en: MEMS, sintonizacion termooptica, sintonizacion electro-optica, sintonizacion optomecanica o electro-capacitiva.
10
14. - Metodo segun reivindicacion 1 en el que los subconjuntos de unidades basicas sintonizable (TBU) formen topologlas uniformes de circuitos opticos programables 2D.
15. - Metodo segun reivindicacion 1 en el que los subconjuntos de unidades basicas 15 sintonizable (TBU) forman topologlas no-uniformes de circuitos opticos programables 2D.
16. - Metodo segun reivindicacion 1 donde el parametro a calcular y optimizar esta relacionado con la programacion del dispositivo optico programable.
20 17.- Metodo segun reivindicacion 16 donde el parametro a calcular y optimizar se selecciona de entre el conjunto consistente en: consumo total de potencia, reduction de perdidas, reduccion de interferencias y diafonlas, aislamiento entre circuitos y reduccion de area empleada.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2695323 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20190103 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2695323 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20190516 |