Tesis doctoral
| Título | Análisis y diseño de dispositivos fotónicos integrados usando series de Fourier |
| Estado | Finalizado |
| Autor | Luis Zavargo Peche |
| Director/es | Alejandro Ortega Moñux , Gonzalo Wangüemert Pérez |
| Fecha lectura | 03-12-2012 |
| Archivo |
En 1969, S. E. Miller emplea por primera vez el termino optica integrada. Este
se reere a la implementacion de diversos dispositivos opticos en un unico sustrato.
Su utilidad ha sido contrastada con multiples aplicaciones, especialmente en el campo
de las comunicaciones, los sensores y la interconexion de circuitos electronicos con
componentes opticos u optical interconnects. Dado que los procesos de prototipado
de esta tecnologa son muy costosos en tiempo y dinero, es imprescindible el uso de
herramientas de simulacion precisas y ecientes. Con estas, los dise~nadores son capaces
de predecir tanto el funcionamiento de las estructuras nominales como la degradacion
de sus prestaciones cuando se producen los inevitables errores de fabricacion.
La principal aportacion de esta Tesis es la implementacion de una herramienta
de dise~no asistida por ordenador para dispositivos opticos integrados. El objetivo es
mejorar la relacion precision/tiempo de computo respecto a la que ofrecen los simuladores
comerciales. El simulador es capaz de analizar dispositivos 2D vectoriales. Por
tanto, permite calcular los modos TE y TM de estructuras que presentan un ndice
de refraccion invariante en una de las coordenadas transversales. La herramienta ha
sido dise~nada para abordar ecientemente el problema de estructuras periodicas. El
hecho de emplear analisis de estructuras 2D aparentemente puede ser una limitacion.
Sin embargo, como se demuestra en esta Tesis, la precision de los resultados obtenidos
con la estructura 2D equivalente es suciente en la mayora de los casos. Ademas, el
empleo de metodos 2D es mucho menos costoso computacionalmente que las tecnicas
3D vectoriales. Por este motivo, el simulador aqu presentado resulta especialmente
util en las primeras etapas de dise~no de estructuras novedosas, en las que se requieren
multiples simulaciones. Con la herramienta de dise~no desarrollada en esta Tesis, estas
pruebas pueden hacerse de manera rapida y obteniendose resultados muy ables. Una
vez obtenido el dispositivo nal, su funcionamiento se comprobara con un simulador
mas potente (esto es, 3D-vectorial) para conrmar la validez del dise~no. As, la herramienta
que aqu se presenta puede ser el complemento ideal para otros simuladores
comerciales mas precisos pero no tan ecientes.
Para la implementacion del nucleo electromagnetico del simulador se ha empleado
el metodo de expansion modal de Fourier (Fourier-EEM) por su e ciencia, robustez
y precision. Se han aplicado las reglas de factorizacion correctas basadas en la regla
inversa para mejorar la mala convergencia de las series de Fourier al emplearse en la
aproximacion de funciones discontinuas (esto es, modos TM). De manera adicional,
se han usado condiciones de contorno absorbentes perfectamente adaptadas (PML)
para el analisis preciso y eciente de los problemas con radiacion saliente. A partir
del Fourier-EEM se ha implementado un simulador eciente de estructuras periodicas
basado en la teora de modos Floquet. Estos modos son la solucion de las ecuaciones de
Maxwell en estructuras periodicas y, por tanto, la forma mas conveniente de analizar
9
y comprender su funcionamiento.
La herramienta desarrollada en esta Tesis implementa numerosas funcionalidades.
Entre las mas basicas estan la representacion de campos y el calculo de potencias en
cualquier plano de la estructura. Tambien permite la denicion de puertos y el calculo
de las matrices de scattering generalizadas (parametros S multimodo y multipuerto).
Para asistir al dise~no de estructuras periodicas, la herramienta proporciona las
constantes de propagacion y distribuciones de campo de los modos Floquet. Soporta
barridos simultaneos de multiples parametros de dise~no para facilitar la optimizacion
de la estructura dise~nada. Tambien permite la denicion de scripts MATLAB para la
ejecucion personalizada e implementa un interfaz graco de usuario que facilita su uso.
Para validar la herramienta se han analizado dispositivos en el estado del arte como
acopladores direccionales de gran ancho de banda en Si-Wire, gratings de radiacion
o hbridos a 90. Esto permite cubrir diversos aspectos de la validacion de manera
simultanea. En primer lugar, se ha demostrado que los resultados ofrecidos por la
herramienta son precisos comparandolos con otros simuladores comerciales. Ademas,
algunos de estos dise~nos se han fabricado y medido, obteniendose una coincidencia
muy razonable entre dichas medidas y los resultados del simulador. Hay que destacar
que esta validacion se ha realizado en colaboracion con investigadores pertenecientes
al equipo de investigacion en el que se ha desarrollado esta Tesis, aunque ajenos al
desarrollo de la herramienta. La utilizacion del simulador por parte de estos investigadores
para realizar sus propios dise~nos conrma la facilidad de manejo del programa
y su capacidad para cubrir las necesidades de los dise~nadores de dispositivos opticos
integrados.
La segunda aportacion relevante de esta Tesis es el dise~no, utilizando la herramienta
denida anteriormente, de un dispositivo de interferencia multimodal (MMI)
4x4 en tecnologa Silicon-On-Insulator (SOI), que incluye una estructura periodica
sublongitud de onda (SWG). Este dispositivo funciona como un hbrido a 90 de altas
prestaciones (cubre completamente la banda C: 1530-1570nm), por lo que puede ser
utilizado como el nucleo de un receptor optico coherente integrado. Este dispositivo
es muy interesante como ejemplo de aplicacion de la herramienta desarrollada, ya que
se trata de una estructura multipuerto, que presenta discontinuidades abruptas en la
direccion de propagacion y que requiere hacer uso del analisis Floquet.
Volver
