Análisis y diseño de dispositivos fotónicos integrados usando series de fourier

• Autores: Luis Francisco Zavargo Peche
• Directores de la Tesis: Alejandro Ortega Moñux (dir. tes.) , Juan Gonzalo Wangüemert Pérez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2012
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Iñigo Molina Fernández (presid.) , Rafael Godoy Rubio (secret.) , Cristina Arellano Pinilla (voc.) , Francisco Javier García Ruiz (voc.) , Salvador Sales Maicas (voc.)
• Texto completo no disponible (Saber más ...)
• Resumen

  • La principal aportación de esta Tesis es la implementación de una herramienta de diseño asistida por ordenador para dispositivos ópticos integrados. El objetivo es mejorar la relación precisión/tiempo de cómputo 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 índice de refracción invariante en una de las coordenadas transversales. La herramienta ha sido diseñada para abordar eficientemente el problema de estructuras periódicas. El hecho de emplear análisis de estructuras 2D aparentemente puede ser una limitación. Sin embargo, como se demuestra en esta Tesis, la precisión de los resultados obtenidos con la estructura 2D equivalente es suficiente en la mayoría de los casos. Además, el empleo de métodos 2D es mucho menos costoso computacionalmente que las técnicas 3D vectoriales. Por este motivo, el simulador aquí presentado resulta especialmente útil en las primeras etapas de diseño de estructuras novedosas, en las que se requieren múltiples simulaciones. Con la herramienta de diseño desarrollada en esta Tesis, estas pruebas pueden hacerse de manera rápida y obteniéndose resultados muy fiables. Una vez obtenido el dispositivo final, su funcionamiento se comprobaría con un simulador más potente (esto es, 3D-vectorial) para confirmar la validez del diseño. Así, la herramienta que aquí se presenta puede ser el complemento ideal para otros simuladores comerciales más precisos pero no tan eficientes.

    Para la implementación del núcleo electromagnético del simulador se ha empleado el método de expansión modal de Fourier (Fourier-EEM) por su eficiencia, robustez y precisión. Se han aplicado las reglas de factorización correctas basadas en la regla inversa para mejorar la mala convergencia de las series de Fourier al emplearse en la aproximación de funciones discontinuas (esto es, modos TM). De manera adicional, se han usado condiciones de contorno absorbentes perfectamente adaptadas (PML) para el análisis preciso y eficiente de los problemas con radiación saliente. A partir del Fourier-EEM se ha implementado un simulador eficiente de estructuras periódicas basado en la teoría de modos Floquet. Estos modos son la solución de las ecuaciones de Maxwell en estructuras periódicas y, por tanto, la forma más conveniente de analizar y comprender su funcionamiento.

    La herramienta desarrollada en esta Tesis implementa numerosas funcionalidades. Entre las más básicas están la representación de campos y el cálculo de potencias en cualquier plano de la estructura. También permite la definición de puertos y el cálculo de las matrices de \emph{scattering} generalizadas (parámetros S multimodo y multipuerto). Para asistir al diseño de estructuras periódicas, la herramienta proporciona las constantes de propagación y distribuciones de campo de los modos Floquet. Soporta barridos simultáneos de múltiples parámetros de diseño para facilitar la optimización de la estructura diseñada. También permite la definición de \emph{scripts} MATLAB para la ejecución personalizada e implementa un interfaz gráfico 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 radiación o híbridos a 90º. Esto permite cubrir diversos aspectos de la validación de manera simultánea. En primer lugar, se ha demostrado que los resultados ofrecidos por la herramienta son precisos comparándolos con otros simuladores comerciales. Además, algunos de estos diseños se han fabricado y medido, obteniéndose una coincidencia muy razonable entre dichas medidas y los resultados del simulador. Hay que destacar que esta validación se ha realizado en colaboración con investigadores pertenecientes al equipo de investigación en el que se ha desarrollado esta Tesis, aunque ajenos al desarrollo de la herramienta. La utilización del simulador por parte de estos investigadores para realizar sus propios diseños confirma la facilidad de manejo del programa y su capacidad para cubrir las necesidades de los diseñadores de dispositivos ópticos integrados.

    La segunda aportación relevante de esta Tesis es el diseño, utilizando la herramienta definida anteriormente, de un dispositivo de interferencia multimodal (MMI) 4x4 en tecnología Silicon-On-Insulator (SOI), que incluye una estructura periódica sublongitud de onda (SWG). Este dispositivo funciona como un híbrido a 90º de altas prestaciones (cubre completamente la banda C: 1530-1570nm), por lo que puede ser utilizado como el núcleo de un receptor óptico coherente integrado. Este dispositivo es muy interesante como ejemplo de aplicación de la herramienta desarrollada, ya que se trata de una estructura multipuerto, que presenta discontinuidades abruptas en la dirección de propagación y que requiere hacer uso del análisis Floquet.