ES2708524A1 - Conversor y multiplexor de modos integrado. - Google Patents

Abstract

Conversor y multiplexor de modos integrado. Conversor y multiplexor (/demultiplexor) que combina un acoplador de interferencia multimodal (100), al menos un desfasador (200) y una unión Y simétrica (300). Se realiza ingeniería sobre la dispersión del acoplador de interferencia multimodal (100) a través de estructuras sublongitud de onda para conseguir un muy gran ancho de banda. Se presentan varias topologías de desfasadores (200) para un mayor aumento del ancho de banda, así como arquitecturas para multiplexar un mayor número de modos ópticos.

Description

CONVERSOR Y MULTIPLEXOR DE MODOS INTEGRADO

D E S C R I P C I O N

SECTOR DE LA INVENCION

La presente invention pertenece al campo de la fotonica integrada y mas concretamente, al sector industrial dedicado a proporcionar conversores y multiplexors de modos basados en guias de onda.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las interconexiones fotonicas de alta capacidad son muy demandadas ya que consiguen superar las limitaciones de capacidad de transmision que imponen las interconexiones tradicionales de cobre. Algunas de las ventajas de las interconexiones fotonicas son el bajo consumo energetico, la elimination de las capacidades parasitas y la compatibilidad con un amplio abanico de tecnicas de multiplexacion que permiten incrementar el ancho de banda agregado. Por ejemplo, los esquemas de multiplexacion por division de longitud de onda (WDM, del ingles wavelength division multiplexing), multiplexacion por division en polarization (PDM, del ingles polarization division multiplexing) y multiplexacion por division espacial (SDM, del ingles space division multiplexing) se pueden combinar para escalar la capacidad de transmision de datos de los dispositivos, en un intento de cubrir la creciente demanda de nuevos servicios que manejan grandes volumenes de datos.

Todas estas tecnicas se pueden combinar con la multiplexacion por division en modos (MDM, del ingles mode division multiplexingpara incrementar aun mas el ancho de banda agregado. La tecnica MDM permite la transmision y reception de varios modos encriptados con diferente distribution espacial a traves de una guia multimodo, en la que cada modo se explota como un canal de datos independiente. En un conversor y multiplexador (MUX) de modos MDM, cada una de las guias de entrada monomodo recibe un canal codificado en el mismo modo optico de orden cero. El MUX convierte cada modo de orden cero de entrada en un modo optico de diferente orden a la salida, uniendolos todos en la misma guia multimodo de salida. Por ejemplo, un MDM MUX puede recibir tres senales diferentes compartiendo un modo TE0 (esto es, un modo transversal electrico de orden cero) a traves de tres guias de entrada monomodo diferentes y convertirlas respectivamente en tres senales sobre los modos TE0, TE1 (transversal electrico de orden 1) y TE2 (transversal electrico de orden 2), respectivamente, compartiendo una misma gda multimodo de salida.

Notese que un multiplexor MDM puede operar como demultiplexor (DEMUX) sin ningun cambio estructural, simplemente invirtiendo las entradas y salidas. Esto es, el mismo dispositivo puede funcionar como DEMUX usando la gda multimodo como entrada para una senal multiplexada en varios modos de distintos ordenes. Despues, cada uno de esos modos se separa, se convierte en un modo de orden cero y se transmite de forma separada a la gda monomodo de salida correspondiente. Por lo tanto, cuando se mencionen los multiplexores en este documento, se debe entender que abarca tanto los multiplexores como los demultiplexores.

Se han propuesto diferentes arquitecturas para implementar la conversion y multiplexacion de modos, incluyendo acopladores direccionales asimetricos (ADC), anillos resonadores (RR), acopladores adiabaticos de anchura variable y uniones en Y asimetricas. No obstante, los ADC y los RR son inherentemente dispositivos de banda estrecha, mientras que otras soluciones de acoplamiento de modos, requieren habitualmente de longitudes de propagation muy grandes, ya que se basan en el concepto de evolution modal. Dependiendo de la implementation espedfica, las uniones en Y asimetricas tambien requieren de longitudes de propagacion muy largas, o son muy sensibles a desviaciones de fabrication respecto al diseno ideal. Esto es, cualquier pequena variation en el ancho de la gda fabricada, por otro lado inevitable en un proceso de fabricacion en masa de las interconexiones fotonicas, provoca una degradation significativa de las prestaciones del dispositivo.

Alternativamente, se han propuesto tambien dispositivos MDM MUX basados en acopladores de interferencia multimodal (MMI), tipicamente en combination con desfasadores. Un MMI es un dispositivo fotonico con un numero variable de entradas y salidas, que incluye una region multimodo (tipicamente conocida por su nombre en ingles "slab”) en el que se generan autoimagenes de las senales de entrada a distancias de propagacion espedficas. Disenando apropiadamente las propiedades del slab y la distancia de propagacion, a la que se colocan las salidas, es posible conseguir implementar la capacidad de dividir de potencia. Por ejemplo, en US 2014/126855 A1 se presenta un conversor de modos (sin capacidades de multiplexacion), en el cada senal de entrada se divide por igual en varias entradas de un MMI con multiples entradas y una unica salida. Combinando adecuadamente desfasadores individuales en cada entrada del MMI y una transition adiabatica de anchura a la entrada, se pueden conseguir varias transformaciones entre diferentes modos. No obstante, las soluciones basadas en MMIs estan limitadas por las perdidas de exceso del MMI y el perfil de dispersion que en ultima instancia limitan la mejora de ancho de banda.

Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad de dispositivos basados en gula de onda que integren la conversion y la multiplexacion de modos y capaces de operar en un gran ancho de banda. Tambien es deseable que los multiplexores tengan un tamano reducido y una gran tolerancia a desviaciones de fabrication respecto al diseno nominal.

RESUMEN DE LA INVENCION

La invention propuesta resuelve los problemas mencionados mediante una arquitectura de conversion y multiplexacion modal basada en el uso de un MMI que, gracias al uso de ingenierla sub-longitud de onda, proporciona un gran aumento en el ancho de banda. El conversor/multiplexor modal inventado comprende al menos dos gulas de onda monomodo de entrada, que reciben senales de orden cero (por ejemplo, senales codificadas sobre los modos TE0), y una gula de onda multimodal de salida que transmite al menos dos senales de salida codificadas sobre dos modos de diferente orden (por ejemplo, la primera senal codificada en el modo TE0 y la segunda en el modo TE1). La conversion y multiplexacion modal de los dos modos de entrada sobre los modos de salida se realiza mediante la actuation coordinada de tres elementos: un acoplador de interferencia multimodal sublongitud de onda, al menos un desfasador y al menos una union en Y simetrica.

El acoplador de interferencia multimodal comprende al menos dos entradas y dos salidas. Al menos la primera gula de onda de entrada del dispositivo MUX se conecta a la primera entrada del MMI, y la segunda gula de onda de entrada del MUX se conecta a la segunda entrada del MMI. Dependiendo de la implementation especlfica, las susodichas conexiones entre las gulas de onda de entrada y las entradas del MMI pueden realizarse a traves de elementos adicionales como, desfasadores, acopladores, etc, tal y como se vera posteriormente en la description detallada de las realizaciones preferentes. De la misma manera, todas las salidas del MMI se combinan en la gula de onda multimodo de salida a traves de, al menos, un desfasador y una union en Y. Notese de nuevo que, la terminologla entrada/salida utilizada, ha sido unicamente para facilitar la comprension del principio de funcionamiento, pero en ningun caso debe ser entendida como que limita el dispositivo para su uso como MUX, ya que el mismo dispositivo reportado puede ser usado como DEMUX con tan solo cambiar las entradas por salidas y viceversa.

El MMI se configura como un divisor de potencia balanceado, que equi-reparte la senal recibida por cualquiera de sus entradas entre todas las salidas. Esto tlpicamente se implementa mediante un acoplador MMI NxN, es decir, un MMI con el mismo numero de entradas que de salidas, en el que cada entrada esta alineada con una salida. Notese que, en este proceso, se inducen ciertos desfases entre las salidas. En el caso de un MMI 2x2 (es decir, un MMI con dos entradas y dos salidas) el desfase introducido entre las dos salidas es de 90°.

Con objeto de incrementar el ancho de banda operativo, el MMI incluye al menos una region sub-longitud de onda (SWG), es decir, una region periodica que incluye secciones alternas de material del nucleo y de material de la cubierta, cuyo periodo es mas pequeno que la longitud de onda mas pequena dentro del ancho de banda del conversor/multiplexor de modos. Las estructuras sub-longitud de onda no generan efectos de difraccion mientras que implementan un metamaterial cuyo Indice de refraccion efectivo esta comprendido entre los Indices del nucleo y la cubierta. El Indice efectivo de este metamaterial puede cambiarse mediante una adecuada selection del ciclo de trabajo o factor de relleno (es decir, la proportion de cada material dentro de un periodo).

De forma preferente, la region SWG se disena, mediante ingenierla de la dispersion, para maximizar el ancho de banda. Es decir, uno o mas parametros del SWG son elegidos, mediante simulation fotonica, para optimizar el ancho de banda y/o la planicidad de la respuesta en frecuencia. Los citados parametros pueden incluir uno o mas de los siguientes: periodo, factor de relleno, anchura de la gula y altura de la region multimodo.

Tambien, de forma preferente, la region SWG comprende todo el MMI, y los mencionados parametros de diseno del medio SWG permanecen constantes a lo largo de toda la region. Sin embargo, otras implementaciones particulares del MMI podrlan incluir areas con y sin SWG, areas con diferentes parametros SWG y/o areas con parametros SWG variables.

Con mayor preferencia, el MMI puede incluir adaptadores SWG en sus entradas y/o salidas. Cada adaptador de modos presenta una estructura SWG cuya anchura se modifica de forma progresiva entre la anchura de la gula de onda-cable monomodo de entrada convencional y una anchura mayor que sirve como entrada del dispositivo MMI. Mas aun, el adaptador de modos SWG puede incluir un puente central de anchura variable, que comienza con la anchura de la gula de onda-cable monomodo y se reduce progresivamente hasta su desaparicion en el interfaz de entrada con la region multimodo del MMI. Notese que, el termino “gula de onda-cable” (del ingles wire waveguide) se usa en este documento por contraposition al termino “gula de onda SWG” en el sentido de que el nucleo es continuo y no incluye trozos periodicos del material de la cubierta.

Tambien debe notarse que el MUX objeto de la invention se implementa preferentemente en silicio sobre aislante (SOI) para as! beneficiarse del alto contraste de Indice de SOI, sin embargo, realizaciones particulares podrlan implementarse en otras plataformas fotonicas diferentes. Es decir, todas las gulas de onda del dispositivo se realizan preferentemente mediante un nucleo de silicio, depositado sobre una capa aislante como, por ejemplo, dioxido de silicio. El material de la cubierta puede variar para diferentes realizaciones de la invencion, siendo algunas de las posibilidades dioxido de silicio, pollmeros o aire, sin que esta lista limite el uso de otras posibles opciones.

Las salidas del MMI se conectan, al menos, a un desfasador, donde las senales de salida sufren un desfase adicional. Finalmente las salidas del desfasador se conectan con la gula multimodo de salida mediante una o mas uniones en Y simetricas. Por ejemplo, en el caso de un multiplexor de dos modos (un MUX con dos entradas y una salida), el acoplador MMI basado en SWG es un MMI de 2x2. Las salidas del MMI se conectan a las gulas de onda de entrada del MUX. Las salidas del MMI, entre las que se induce un primer desfase de 90°, se conectan a un desfasador donde se aplica un segundo desfase de 90°. Como resultado, cuando se introduce una senal por la primera gula de entrada, el primer y segundo desfase se cancelan entre si y las dos salidas del desfasador estan en fase. Despues de combinarse en la union en Y, se obtiene un modo de orden cero. Por el contrario, cuando se introduce una senal por la segunda gula de entrada, el primer y segundo desfase se acumulan dando lugar a un desfase total de 180° lo que, despues de combinarse en la union en Y, produce un modo de primer orden.

En el caso de un MUX de tres modos se usara, de forma preferente, un MMI de 4x4. La primera guia de entrada sera conectada a la primera entrada del MMI. La segunda guia de entrada se divide mediante una union en Y, sufriendo un cierto desfase (preferentemente 90°) y alimenta la segunda y tercera entradas del MMI. La tercera guia de entrada se conecta a la cuarta entrada del MMI. Se aplica entonces un desfase de 45° entre la primera y segunda salidas del MMI y de 135° entre la tercera y cuarta salidas del MMI. Las cuatro salidas resultantes se combinan en la guia multimodo de salida, preferentemente mediante uniones en Y en cascada, aunque tambien podria usarse alternativamente una union en Y de cuatro puertos.

Debe hacerse notar que para implementar las relaciones de fase deseadas es posible usar combinaciones alternativas de desfasadores y uniones en Y. Notese tambien que esta arquitectura es escalable, por lo que usando un MMI con un mayor numero de puertos y mas desfasadores puede conseguirse un MUX con un mayor numero de modos multiplexados. Finalmente, notese tambien que la implementation de un MUX de mas de dos modos es conseguido por las altas prestaciones del MMI y de los desfasadores en terminos de: exceso de perdidas, ancho de banda y tolerancias de fabrication; puesto que con la respuesta de los dispositivos convencionales, no habria suficiente margen en el cociente de extincion para combinar mas de dos modos.

Se presentan, ademas, tres alternativas preferentes para la implementacion del desfasador (o desfasadores) cuyas propiedades se combinan de forma sinergica con el comportamiento del MMI para dotar a la invention de mejoras en el ancho de banda, disminucion del tamano, aumento del cociente de extincion y mayor tolerancia ante las desviaciones en la fabricacion:

- Una primera topologia para el desfasador que comprende de una primera guia de onda de anchura constante y una segunda guia de onda cuya anchura se incrementa progresivamente en una primera seccion y luego se disminuye progresivamente otra vez a su tamano original.

- Una segunda topologia para el desfasador que comprende de al menos una region SWG cuyos parametros SWG han sido disenados, ayudandose de simulaciones fotonicas, para optimizar el ancho de banda y/o las tolerancias de fabricacion. Con mayor preferencia, la segunda topologia de este desfasador comprende dos regiones SWG de diferente anchura, una en cada gula de onda, pudiendose incluir adaptadores de modos SWG, similares a los usados en las entradas y salidas del MM.

- Una tercera topologla de desfasador que comprende uno o mas segmentos laterales de carga de fase (‘phase loading’ en ingles). En las realizaciones preferentes de este tercer tipo de desfasador pueden emplearse, anchuras modificadas, adaptadores modales, y/o estructuras SWG en la gula central o en los segmentos laterales

Finalmente, en otra realization preferente, el conversor/multiplexor de modos puede ser operado como conmutador mediante el uso de uno o mas desfasadores controlables, que conmutados externamente entre, al menos, un primer estado de desfase y un segundo estado de desfase. Por ejemplo, para el caso de multiplexor de dos modos, se selecciona dinamicamente cual de los dos modos de orden cero de entrada se transforma en el primer modo de la salida, mediante configuration del desfasador para inducir un desfase de 90° o de 270°.

El convertidor y multiplexor de modos propuesto proporciona un gran ancho de banda, bajas perdidas y una elevada ratio de extincion en un dispositivo compacto. Estas y otras ventajas seran evidentes a la luz de la description detallada de la invention.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion un juego de figuras en donde, con caracter ilustrativo y no limitativo:

Figura 1 representa esquematicamente los principales elementos de un multiplexor de dos modos de acuerdo con una realizacion preferida de la invencion.

Figura 2 muestra en mas detalle un acoplador de interferencia multimodal sublongitud de onda de acuerdo con una realizacion preferida de la invencion.

Figura 3 ilustra los principales parametros de una estructura sublongitud de onda. Figura 4 presenta una primera realizacion preferente del desfasador de la invencion, basada en una gula de onda continua de ancho variable localmente.

Figura 5 presenta una segunda realization preferente del desfasador de la invention, basada en una gula sublongitud de onda.

Figura 6 presenta una tercera realization preferente del desfasador de la invention, basada en la disposition de segmentos laterales de carga de fase a ambos lados de la gula central.

Figura 7 muestra en mas detalle una union en Y simetrica, de acuerdo con una realizacion preferente de la invention.

Figura 8 representa esquematicamente los principales elementos de un multiplexor de tres modos de acuerdo con una realizacion preferente de la invention.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

La figura 1 muestra una primera realizacion preferente del conversor y multiplexor de modos de la invention, para el caso particular de conversion de dos modos, esto es, para una realizacion particular del dispositivo que convierte dos modos de entrada de orden cero en un modo de salida de orden cero y un modo de salida de orden uno. El dispositivo comprende una primera gula monomodo de entrada (401) que recibe un primer modo de orden cero (410) y una segunda gula monomodo de entrada (402) que recibe un segundo modo de orden cero (420). La primera gula monomodo de entrada (401) y la segunda gula monomodo de entrada (402) estan conectadas a la primera entrada (101) y la segunda entrada (102) de un MMI (100). El MMI (100) divide por igual ambas entradas en una primera salida (111) y una segunda salida (112), introduciendo un primer desfase de 90° entre dichas salidas. La primera salida (111) y la segunda salida (112) estan conectadas a un primer desfasador (200) que induce un segundo desfase de 90° entre sus brazos superior e inferior. Ambos brazos se combinan despues en una union en Y simetrica (300), siendo la salida de la union en Y simetrica (300) una gula de salida multimodo (501).

Cuando la luz entra a traves de la primera gula de onda de entrada (401), el primer y el segundo desfase se cancelan entre si. Por lo tanto, los modos opticos que salen del primer desfasador (200) estan en fase y su combination resulta en un modo de orden cero de salida (510). Cuando la luz entra a traves de la segunda gula de entrada (402), el primer y el segundo desfase se suman y dan lugar a un desfase total de 180°. Por lo tanto, los modos opticos que salen del primer desfasador (200) estan en contrafase y su combinacion da lugar a un modo de orden 1 de salida (520)

La Figura 2 muestra el MMI (100) SWG en mas detalle, el cual es un elemento comun a todas las realizaciones de la invention. El MMI (100) comprende una region multimodo SWG (120), con secciones alternas de los materiales del nucleo y la cubierta. Las secciones rectangulares del material del nucleo se colocan transversalmente a las gulas de entrada y salida. Para optimizar las condiciones de excitation del MMI (100), todas las entradas y salidas incluyen adaptadores modales (130) SWG, que incrementan progresivamente el ancho de la gula y reducen su Indice efectivo. Los adaptadores modales (130) incluyen un puente central, esto es, un pequeno conector del material del nucleo en el centro de las secciones de cubierta. La anchura del puente central disminuye a medida que el ancho total de la gula aumenta, despareciendo completamente en el interfaz con la region multimodo del MMI (100). Notese que la geometrla especlfica del adaptador modal (130) puede variar entre implementaciones siempre que se garantice una transition modal suave.

La Figura 3 muestra en mas detalle los principales parametros de cualquier estructura SWG, los cuales se pueden ajustar mediante simulaciones fotonicas para hacer ingenierla del Indice de refraction y de la dispersion. Concretamente, dichos parametros SWG incluyen la anchura de la gula de onda (W), la altura de la gula de onda (H), el periodo (A) y el ciclo de trabajo (f). El ciclo de trabajo, tambien conocido como factor de llenado (del ingles fill factor), es la relation entre las longitudes de la section del nucleo(a) y de la cubierta (b) en un periodo (A).

La longitud de la region multimodo del MMI (100), i-rnw-MMi, viene dada por:

donde Ln es la longitud de batido entre el primer y el segundo modo, cuyos Indices efectivos son respectivamente n e f f y n e f f\

Los MMIs convencionales dependen directamente de la longitud de onda y, por tanto, las autoimagenes se forman a diferentes distancias para cada longitud de onda. Es esta limitation en el ancho de banda de los MMIs convencionales la que restringe las prestaciones de los dispositivos de multiplexacion de modos convencionales. No obstante, mediante la tecnica de ingenierla de la dispersion de los modos guiados de la seccion multimodo del acoplador MMI se puede conseguir una longitud de batido practicamente plana, ya que la diferencia entre los indices efectivos de los modos neff(X )-n lf f Q.) permanece casi constante con la longitud de onda. Por ejemplo, el MUX propuesto proporciona una ratio de extincion mejor de -20dB en un ancho de banda de 300nm (1400 nm - 1700 nm), cubriendo las bandas C, S y L de comunicaciones opticas.

El primer paso del diseno del MMI SWG (100) es definir una anchura del adaptador modal (130) en el interfaz con la region multimodo del MMI, Wa, que garantice que solo se excitan los modos fundamentales. Esto se consigue simulando y analizando la curva de la parte real del indice efectivo en funcion de dicha anchura. Para garantizar que los modos estan guiados, su parte real debe ser mayor que el indice de refraction de la cubierta y el substrato. No obstante, la anchura debe ser lo suficientemente pequena como para que no se propaguen modos superiores. El valor de la anchura final se escoge de forma arbitraria entre ambos limites. La separation entre los adaptadores modales (130) en el interfaz con el slab, Wsep, se escoge para garantizar un acoplo inferior a uno predefinido como, por ejemplo -40dB. La anchura total del MMI (100), WMMI, se calcula como WMMI=2(Wsep+ Wa). La longitud del adaptador modal (130) se escoge para asegurar una transition suave.

A continuation, se definen los parametros del SWG. Un ciclo de trabajo del 50% es preferible para facilitar la fabrication. Esto es, las longitudes de la section de nucleo (a) y de cubierta (b) son iguales. El periodo se escoge dentro de un rango con un limite inferior definido por la minima dimension fabricable de la tecnologia de fabricacion y un limite superior que evite la condition de Bragg. Este limite superior, Amax, se puede estimar como:

donde es la longitud de onda inferior del rango de operation del MUX y neq se define por la formula de Rytov:

donde f es el ciclo de trabajo, neqcore es el fndice de refraccion equivalente del nucleo, 2 es la longitud de onda y ncladding es el fndice de refraccion de la cubierta. Despues se simulan distintos periodos dentro del rango referido anteriormente, escogiendo el periodo que proporciona un mayor ancho de banda, y/o una respuesta mas plana en el rango de longitudes de onda predefinido. Finalmente, la longitud del MMI (100) se optimiza mediante nuevas simulaciones, partiendo del valor teorico inicial que viene dado por r^.r>Nv-MMi - 3Ln/1.

La Figura 4 presenta una primera implementacion del desfasador (200), compuesto por una primera gwa de onda (201) y una segunda guia de onda (202). La segunda guia de onda (202) es una guia de onda-cable convencional con una primera anchura (w1) sin ningun tipo de modification geometrica, mientras que la primera guia comienza con la primera anchura (w1), pero incluye dos regiones trapezoidales (201, 211) que ensanchan la guia hasta una segunda anchura (w2) y luego la estrechan de nuevo hasta la primera anchura (w1). Como consecuencia, la velocidad del modo se reduce y se consigue el desplazamiento de fase deseado. Notese que implementaciones alternativas basadas en el mismo principio se pueden conseguir por ejemplo sustituyendo las regiones trapezoidales (210, 211) por otros perfiles como curvas; anadiendo una region central de ancho constante entre las regiones trapezoidales (201, 211); usando una segunda anchura (w2) inferior a la primera anchura (w1), y/o mediante cualquier otra combination de variaciones de ancho que proporcionen el mismo desfase total.

Para disenar la primera implementacion del desfasador, la segunda anchura (w2) se puede escoger arbitrariamente y optimizar posteriormente la longitud de las regiones trapezoidales (210, 211) hasta obtener el desfase deseado. No obstante, se debe tener en cuenta que la longitud minima de las regiones trapezoidales combinadas (Lpsmin) para asegurar transiciones adiabaticas es:

Lpsmin (w2-w1)/tan(amin)

donde amin es preferiblemente 5°. Notese que es conveniente simular varias segundas anchuras (w2), incluyendo en cada caso un rango de desviaciones de fabrication tipicas respecto al diseno ideal, escogiendo aquella segunda anchura (w2) que sea mas robusta ante este efecto.

En la Figura 5 se presenta una segunda implementacion del desfasador (200), que esta tambien compuesto por una primera guia de onda (201) y una segunda guia de onda (202). La primera guia de onda (201) comprende un primer retardo SWG (221) con una tercera anchura (w3), asi como un primer adaptador de ancho (220) y un segundo adaptador de ancho (222) en cada extremo. La segunda guia incluye un segundo retardo SWG (231) con una cuarta anchura (w4), as! como un tercer adaptador de ancho (230) y un cuarto adaptador de ancho (232) en cada extremos. La diferencia entre la tercera anchura (w3) y la cuarta anchura (w4) consigue el desfase deseado y al mismo tiempo una respuesta en frecuencia mas plana que la primera implementacion del desfasador (200). Ademas, optimizando los parametros del SWG de esta segunda implementacion del desfasador (200) mediante simulaciones fotonicas, y gracias tambien al gran ancho de banda del MMI (100), se consigue un dispositivo con un ancho de banda mayor. Para el ejemplo que se acaba de comentar, se puede conseguir una mejora de la ratio de extincion de -10dB en el rango de longitudes de onda de 300nm.

Notese que se pueden implementar realizaciones alternativas del desfasador (200) basado en SWG, en las que la primera gula (201) y la segunda gula (202) tengan diferentes parametros. Por ejemplo, en lugar de variar la anchura del SWG (W), se puede modificar el periodo (A) o el ciclo de trabajo (f). Se debe tener en cuenta tambien que la geometrla especlfica de los adaptadores de ancho (220, 222, 230, 232) puede variar para diferentes implementaciones, siempre que se garantice una transicion suave. Ademas, diferentes implementaciones del desfasador (200) pueden incluir regiones SWG en solo una de las gulas, aunque se recomienda incluir SWG en ambas para obtener una respuesta lo mas plana posible.

La Figura 6 presenta una tercera implementacion del desfasador de la invention, que se basa en incluir uno o mas segmentos de carga de fase (250) laterales a ambos lados de la primera gula (201). Es conveniente que dicha primera gula presente una quinta anchura (w5) reducida en la region en la que se encuentran localizados los segmentos de carga de fase (250) laterales para deslocalizar el campo e incrementar el efecto de dichos segmentos. Dicha reduction del ancho es preferiblemente realizada de forma progresiva mediante un adaptador modal. Ademas, los segmentos de carga de fase (250) pueden incluir caracterlsticas geometricas adicionales en sus extremos para conseguir una transicion mas suave, tales como extremos angulados o curvados.

Reducciones de ancho similares a las realizadas en la primera gula de onda (201) se pueden aplicar tambien a la segunda gula de onda (202), hasta conseguir la misma quinta anchura (w5) reducida u otra diferente, con el objetivo de optimizar el ancho de banda. Ademas, esta segunda gula puede incluir tambien segmentos de carga de fase (250) siempre que presenten diferentes propiedades geometricas. Los segmentos laterales y/o las gulas centrales pueden incluir tambien regiones SWG para realizar ingenierla de la dispersion. Esta tercera implementation del desfasador (200) tiene la particular ventaja de que no le afectan las desviaciones de fabrication en un rango mas amplio cuando sus parametros geometricos se optimizan mediante simulation fotonica.

La Figura 7 muestra en mas detalle una realization preferida de la union en Y simetrica (300). La union en Y simetrica (300) consta de dos entradas monomodo que alimentan dos brazos con forma sinusoidal. Los dos brazos finalmente se unen en una salida multimodo, tlpicamente del doble de ancho que las entradas, aunque el diseno de la geometrla especlfica puede variar entre diferentes implementaciones. La union en Y simetrica (300) se disena preferentemente optimizando su longitud mediante simulaciones fotonicas, manteniendo fija la separation entre los brazos, que viene dada por la separation entre las salidas del MMI (100) y/o el desfasador. La optimization de la longitud requiere llegar a un compromiso en el tamano del dispositivo y las perdidas de retorno.

Por ultimo, la figura 8 muestra la arquitectura preferida para la multiplexacion (o demultiplexacion) de tres modos opticos en el mismo dispositivo. Una tercera gula monomodo de entrada (403) que es excitada con un tercer modo de orden cero (430) es anadida en el plano de entrada. El MMI (100) consta de una tercera entrada (103), una cuarta entrada (104), una tercera salida (113) y una cuarta salida (114). La segunda entrada (102) y la tercera entrada (103) del MMI son alimentadas, a traves de una union-Y simetrica (300) adicional, por la segunda gula monomodo de entrada (402), mientras que la cuarta entrada (104) y primera entrada (401) al MMI son, respectivamente, alimentadas por la tercera gula de onda monomodo de entrada (403) y la primera gula de onda monomodo de entrada (401). Para poder generar en gula de onda de salida multimodo (501) el primer modo de orden cero de salida (510), el segundo modo de primer orden de salida (520) y el tercer modo de segundo orden de salida (530), el dispositivo incluye tres desfasadores (200):

- Un desfasador (200) de 90° entre la segunda entrada (102) y la tercera entrada (103) al MMI (100).

- Un desfasador (200) de 45° (200) entre la primera salida (111) y segunda salida (112) del MMI (100).

- Un desfasador (200) de 135° (200) entre la tercera salida (113) y cuarta salida (114) del MMI.

Notese que la invention, de acuerdo con cualquiera de las realizaciones descritas, puede operar como un conmutador usando simplemente uno o mas desfasadores (200) controlables en lugar de desfasadores (200) pasivos. Es decir, en lugar de usar desfasadores (200) que inducen un cambio de fase fijo, se emplean desfasadores cuya fase es controlada externamente, lo cual posibilita la conmutacion simultanea de multiples modos opticos. El control del desfasador (200) puede ser implementado con cualquier tecnologla conocida del estado del arte, como por ejemplo la inyeccion/deplexion de portadores mediante una union PN.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Conversor y multiplexor de modos integrados que comprende:

- al menos una primera gwa de onda monomodo de entrada (401) adaptada para recibir una senal con un primer modo de orden cero (410) y una segunda guia de onda monomodo de entrada (402) adaptada para recibir una senal con un segundo modo de orden cero (420);

- una guia de onda de salida multimodo (501) adaptada para transmitir al menos un primer modo de orden cero de salida (510) y un segundo modo de primer orden de salida (520); y

- un acoplador de interferencia multimodal (100) configurado para repartir equitativamente senales opticas desde una primera entrada (101) y una segunda entrada (102) en una primera salida (111) y una segunda salida (112), e inducir un primer desfase entre la primera salida (111) y la segunda salida (112);

caracterizado por que el conversor y multiplexador de modos ademas comprende:

- un primer desfasador (200) asociada a la primera salida (111) y la segunda salida (112), configurado para producir un segundo desfase adicional entre la primera salida (111) y la segunda salida (112);

- una union en Y simetrica (300) situada a continuation del primer desfasador (200), configurada para combinar las senales provenientes del primer desfasador (200) en la guia de onda multimodo de salida (501); y una region en el acoplador de interferencia multimodal (100) que comprende una disposicion de secciones periodicamente alternadas de un material de nucleo y de cubierta, con un periodo menor de un valor de la longitud de onda mas corta en el ancho de banda del conversor y multiplexor de modos.

2. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con la revindication 1, caracterizado por que el acoplador de interferencia multimodal (100) ademas incluye una pluralidad de adaptadores modales (130) conectados a la primera entrada (101), segunda entrada (102), primera salida (111) y segunda salida (112), donde cada adaptador modal (130) comprende una guia de onda que, al mismo tiempo que va progresivamente variando su ancho, va alternando de manera periodica secciones de los materiales empleados de nucleo y cubierta.

3. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado por que cada adaptador modal (130) ademas comprende un puente central de material de nucleo que une las secciones definidas por el material del nucleo y donde la anchura de puente central es inversamente proporcional a la de la gula de onda.

4. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el primer desfasador (200) consta de:

- una primera gula de onda (202) con una primera anchura (w1) constante, y - una segunda gula de onda (201) cuya anchura varla entre la primera anchura (w1) y la segunda anchura (w2).

5. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el primer desfasador (200) comprende periodicamente alternadas del material de nucleo y de cubierta, cuyo periodo de repeticion es mas pequeno que la menor longitud de onda del ancho de banda de operacion del conversor y multiplexor de modos.

6. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizado por que el primer desfasador (200) comprende una primera gula de onda (201) con una primera region que periodicamente alterna secciones de materiales nucleo y cubierta (221) con una tercera anchura (w3), y una segunda gula de onda (202) con una segunda region que periodicamente alterna secciones de material nucleo y cubierta (231) con una cuarta anchura (w4), siendo la tercera anchura (w3) diferente a la cuarta anchura (w4).

7. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el primer desfasador (200) comprende ademas una pluralidad de adaptadores modales (220, 222, 230, 232) que varlan progresivamente su anchura a la vez que tambien alternan de manera periodica secciones de los materiales de nucleo y cubierta.

8. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el primer desfasador (200) comprende al menos un segmento de gula de onda de carga de fase (250) localizada a un lado de la primera gula de onda (201).

9. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizado por que el al menos un segmento de gula de onda de carga de fase (250) comprende una region que periodicamente alterna secciones de material del nucleo y material de la cubierta.

10. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que:

- la primera gula de onda monomodo de entrada (401) se conecta a la primera entrada (101) del acoplador de interferencia multimodal (100), - la segunda gula de onda monomodo de entrada (402) se conecta a la segunda entrada (102) del acoplador de interferencia multimodal (100), y - el segundo desfase es de 90°.

11. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas una tercera gula de onda monomodo de entrada (403) adaptada para recibir un tercer modo de entrada de orden cero (430), y estando la gula de onda de salida multimodo (501) adaptada para ademas transmitir un tercer modo de segundo orden de salida (530), estando el convertidor y multiplexor de modos caracterizado por que el acoplador de interferencia multimodal (100) comprende ademas una tercera gula de onda de entrada (103), una cuarta gula de onda de entrada (104), un tercera salida (113) y una cuarta salida (114); en donde el conversor y multiplexor de modos comprende ademas:

- una union en Y simetrica (300) que conecta la segunda gula de onda de entrada monomodo (402) con la segunda entrada (102) y tercera entrada (103);

- un segundo desfasador (200) configurado para inducir un tercer desfase entre la tercera salida (113) y la cuarta salida (114); y

- un tercer desfasador (200) configurado para inducir un cuarto desfase entre la segunda entrada (102) y la tercera entrada (103).

12. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con la reivindicacion 11, caracterizado por que el segundo desfase es 45°, el tercer desfase es 135° y el cuarto desfase es 90°.

13. Conversor y multiplexor de modos integrado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos uno de los desfasadores (200) es un desfasador controlable (200) conmutado externamente entre un primer valor de desfase y un segundo valor de desfase.