ES2297981B2 - Demultiplexador optico. - Google Patents
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Abstract
El demultiplexador óptico. El demultiplexador es un dispositivo ultracompacto que separa espacialmente un haz incidente (4) en al menos dos haces (5, 6) con sendas longitudes de onda (u1, u2), formando entre sí un ángulo (u) prefijado. El dispositivo, representado por dos rejillas (2) de barras (1), consta de una pluralidad de capas de barras (1), fabricadas en material dieléctrico. Disponiendo de un plano (3), que determina la región donde tales longitudes de onda (u1, u2) son recogidas para su análisis, situado a una distancia (xf) del dispositivo, los haces (5, 6) dispersados presentan una determinada anchura (u) y se separan del eje del haz incidente (4) con una distancia de separación (d). Tanto el grosor del dispositivo, la sección de las barras, como el material de su fabricación vienen determinados por el ángulo (u) de separación requerido, optimizándolos para minimizar la diafonía entre canales ópticos a dichas longitudes de onda (u1, u2).
Description
Demultiplexador óptico.
La presente invención se aplica al campo de las
telecomunicaciones, particularmente en las redes de comunicación
óptica, extendiéndose su aplicación a los sectores industriales que
hacen uso de ellas para la transmisión de datos a gran velocidad,
tales como en telefonía móvil, telemedicina, comunicaciones en
sistemas espaciales, etc.
El objeto de la invención es proveer un
dispositivo ultracompacto, cuya estructura está basada en múltiples
capas que forman una red compuesta por unas barras de material
dieléctrico adecuado y configuradas convenientemente para separar,
con un ángulo predeterminado, un haz de luz incidente en varias de
las longitudes de onda que lo constituyen, permitiendo una
dispersión de los haces correspondientes a dichas longitudes de
onda o demultiplexación de canales ópticos, con una mínima
interferencia entre canales, o lo que es lo mismo, una atenuación
máxima de la distorsión para todos los canales.
En la actualidad, es cada vez mayor el empleo
que se hace de sistemas ópticos para transmitir grandes cantidades
de información, representando voz, vídeo y/o datos, a una muy alta
velocidad. La demanda de ancho de banda para las comunicaciones
ópticas es creciente, en la medida que se utilizan para soportar
una elevada carga de canales; por ejemplo, en televisión de alta
definición, en servicios de telefonía de tercera generación UMTS,
etc.
Dentro de las tecnologías de comunicación
ópticas, se sabe que puede utilizarse más de una longitud de onda
para transmitir la información por diferentes canales. En
particular, cada longitud de onda puede ser una portadora para
señales correspondientes a sistemas analógicos o digitales.
Una de las técnicas ampliamente usadas para
multiplexar un número de señales distintas en un sistema de
transmisión óptica es la Multiplexación por División de Longitud de
Onda (WDM), mediante la cual la información, transportada con
señalización digital, es transmitida modulando cada grupo de
señales digitales con una longitud de onda diferente, viajando
todas las longitudes de onda simultáneamente por la fibra
óptica.
Con la multiplexación WDM, el ancho de banda se
ve incrementado gracias al número de canales independientes por la
diversidad de longitudes de onda usadas dentro de un mismo camino
de transmisión óptica, como puede ser una fibra o una guía de
ondas.
En obvia consecuencia, cuando un número de
longitudes de onda es multiplexado y transmitido a través de una
única guía o fibra óptica, se hace necesario posteriormente que los
múltiples canales sean demultiplexados en longitudes de onda
separadas. Evidentemente, es deseable que este proceso de
demultiplexación se lleve a cabo a bajo coste y con una pérdida
mínima de señal. Las pérdidas que pueden existir por interferencias
entre las distintas longitudes de onda deberían ser similares en
magnitud para todos los canales que se demultiplexan.
Un problema asociado con la división por
longitud de onda es que si la dispersión física entre cada longitud
de onda que atraviesa la fibra óptica es demasiado estrecha, se
pueden juntar varias longitudes de onda en un mismo canal, en vez
de una sola portadora, lo cual provocaría ruido y distorsión sobre
la información contenida en ese canal. Por consiguiente, se
requiere un demultiplexor capaz de realizar una separación física de
las longitudes de onda en un área suficientemente amplia, para que
los múltiples canales de información sean divididos con la menor
interferencia posible.
Una solución a dicha problemática la constituyen
los elementos ópticos difractivos, descritos por los autores J.L.
Horner y P.D. Gianino en la publicación Applied Optics,
volumen 23, del año 1984, que pueden modelar el haz procedente de
una fuente óptica, como es un láser, según prácticamente cualquier
patrón, mediante el control de las fases de las diferentes ondas
dispersadas. Esta propiedad se consigue básicamente montando en una
capa pequeños elementos ópticos que manipulan cada uno una parte del
haz incidente. La implementación de estos elementos se realiza
variando su índice de refracción y sus dimensiones en espesor,
parámetros que se generan por ordenador, buscando los óptimos con
los que se obtiene un haz propagándose por la capa de tales
elementos en el patrón
deseado.
deseado.
No obstante, los elementos ópticos difractivos
no permiten controlar la reflexión de un rayo de luz desde la
opacidad total hasta la transparencia completa.
Otros dispositivos que vienen a resolver la
separación de canales por longitudes de onda son los recogidos,
citando unos ejemplos, en los documentos EP 0938205 y US
2004/0051868.
El demultiplexor óptico descrito en EP 0938205
se de una pluralidad de filtros dicroicos, interconectados
secuencialmente y ópticamente acoplados entre sí, que separan cada
uno de los canales en el orden de la secuencia de sus respectivas
longitudes de onda centrales, comenzando por el canal de menor
longitud de onda hasta llegar al de mayor longitud de onda central,
eliminando cada vez un canal de los restantes, obteniendo finalmente
a la salida de dichos filtros todos los canales por separado.
En US 2004/0051868, se describe un demultiplexor
holográfico que utiliza la técnica de espectroscopia para reflejar
las distintas longitudes de onda que compone una señal luminosa,
conforme a diferentes posiciones espaciales sobre un dispositivo de
detección de una o más de las longitudes de onda reflejadas. Este
dispositivo comprende el detector, un elemento de dispersión de la
luz, tal como un prisma o una rejilla de difracción, más varios
hologramas, constituyendo a su vez cada holograma un elemento de
dispersión que redirecciona un rango específico de longitudes de
onda o bien una longitud de onda concreta, de las contenidas en el
rayo de luz.
La invención que aquí se describe consiste en un
dispositivo fotónico que realiza la separación espacial entre al
menos un par de longitudes de onda, actuando como un elemento
óptico de dispersión de la luz en múltiples haces que corresponden
a las distintas longitudes de onda centrales, que se dividen con
una anchura determinada para cada haz y formando un ángulo
específico entre sí.
Más concretamente, la presente invención se
concibe para su integración a guías de onda planas o a fibras
ópticas a fin de efectuar el demultiplexado de la señal que viaja
por dicha guía-onda o fibra.
El demultiplexador que se propone está compuesto
por una red o rejilla de barras dieléctricas, dispuestas en al
menos una pareja de láminas fotónicas, implementadas en dos
dimensiones por un procedimiento de procesamiento sobre un solo
circuito integrado y seguido de una micromanipulación para su
montaje, de acuerdo a una técnica de diseño inverso, la cual
resuelve las ecuaciones de Maxwell para un sistema de dos
dimensiones empleando la Teoría de la Dispersión Múltiple (MST).
Este demultiplexador óptico aporta
características sustanciales de novedad y notables ventajas en
cuanto a sus dimensiones, puesto que en su implementación se
consigue un dispositivo ultracompacto, del orden de unos 2 \mum
de grosor, al mismo tiempo que representa una importante mejora en
el modo de separar los haces en el espacio, ya que logra una mayor
eficiencia respecto a los dispersores de luz conocidos, suponiendo
una eficiencia medida en términos de diafonía (crosstalk) con un
valor inferior a -25 dB para cada canal óptico.
Cada una de las láminas o capas de barras
dieléctricas, fabricadas con un semiconductor como el Arseniuro de
Galio (AsGa) preferentemente, puede ser crecida mediante técnicas
litográficas usuales.
El método de fabricación de la estructura del
dispositivo fotónico en tres dimensiones consiste esencialmente en
dividir la estructura preparada por una técnica de nanofabricación
de semiconductores en varias, al menos dos, láminas en dos
dimensiones. Seguidamente, estas láminas fotónicas son montadas en
una estructura tridimensional por medio de micromanipulación,
aplicando preferiblemente los procedimientos que se definen en el
documento "Three-dimensional photonic crystals
for optical wavelengths assembled by micromanipulation" del
volumen 81 de Applied Physics Leiters, año 2002, así como en
el artículo "Micro assembly of semiconductor
three-dimensional photonic crystals" del volumen
2 de la publicación Nature Materials del 2003, ambos de los
autores K. Aoki, H.T. Miyazaki, H. Hirayama, K. Inoshita, T. Baba,
N. Shinya y Y. Aoyagi.
En función de la separación espacial que se
quiere conseguir de los canales ópticos, es decir, dependiendo de
las longitudes de onda que interesa dispersar y del ángulo deseado
de separación entre haces, en la realización física del dispositivo
fotónico se seleccionan ciertos parámetros de diseño, los cuales
son el grosor de la estructura laminar, la sección de las barras
dieléctricas y su material de construcción, elegidos tras aplicar en
un ordenador un proceso de optimización, por ejemplo, el Algoritmo
Genético (GA), que asume que todos los elementos de dispersión
poseen una posición fija, en combinación con la Teoría MST. En
general, el método de optimización podría combinarse con otros
algoritmos de cálculo alternativos que definan un procedimiento
capaz de simular la dispersión de luz por redes de centros
dispersores.
Si se desea entrar en más detalle sobre la
técnica de implementación combinada MST-GA para
dispositivos fotónicos, puede referirse al artículo escrito por A.
H\ring{a}kansson, J. Sánchez-Dehesa y L. Sanchis,
en la publicación del 2005 en el IEEE Journal on selected areas
in communications, o bien, al firmada por los mismos autores
junto a D. López-Zanón y J.
Bravo-Abad, en Applied Physics Letters,
volumen 84, año 2004.
Con respecto a los antecedentes, el
demultiplexador óptico propuesto moldea el flujo de luz,
permitiendo un control de los parámetros que determinan la forma de
dispersión de los haces con un mayor grado de libertad, según la
disposición de las barras dieléctricas que conforman la estructura
del dispositivo y que se diferencia de las implementaciones de los
demultiplexadores existentes en el estado de la técnica.
El dispositivo de dispersión fotónica objeto de
la invención está basado en una pluralidad de capas formadas por
una red de dispersores ópticos individuales, en vez de una única
capa de componentes que controlan la fase de los haces dispersados
como es el caso de los elementos ópticos difractivos que se conocen
y mencionados anteriormente. Además, la estructura de rejilla o
porosa del dispositivo de la invención hace posible el control de
la reflexión de la luz desde la opacidad absoluta, similarmente a
como ocurre en un reflector Bragg, hasta casi la transparencia
total. Sin embargo, esta posibilidad de controlar el campo de luz
de esa manera tan amplia no puede llevarse a la práctica usando los
elementos ópticos difractivos convencionales.
Este dispositivo de dispersión fotónica así
descrito constituye pues un demultiplexador ultracompacto aplicable
en los sistemas WDM, donde se incrementa el ancho de banda de las
comunicaciones ópticas en redes de área local (LAN), funcionando en
colaboración con los multiplexadores ópticos que enrutan
simultáneamente diferentes canales de información a través de una
red de fibra óptica. El efecto de cruce de líneas por el
acoplamiento esperado entre señales del cableado de fibra óptica se
puede reducir por debajo de los -25 dB en cada canal, gracias a la
incorporación del demultiplexador óptico en la red de comunicación
con multiplexación WDM.
En definitiva, la ventaja principal del
demultiplexador descrito es que, además de ser un dispositivo
óptico pasivo, presenta un tamaño más reducido, característica que
lo convierte en una práctica solución para diversas aplicaciones de
las comunicaciones ópticas, donde otros dispositivos, activos o
pasivos, no tendrían lugar o implicarían unas mayores dimensiones
del sistema al que se integraran.
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Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática de la estructura del dispositivo objeto de la invención
y su funcionalidad, indicando los parámetros involucrados en el
proceso de diseño inverso para su implementación: x_{f} define la
distancia entre el dispositivo de dispersión de la luz y el plano
donde se recogen los haces divididos, con longitudes de onda
\lambda_{1} y \lambda_{2} respectivamente, adoptando unos
valores prefijados sobre una anchura \delta de haz y un ángulo
\alpha entre haces.
La figura 2.- Muestra un corte en el plano
ortogonal a los ejes de las barras dieléctricas que conforman el
dispositivo, según una realización preferente de la invención,
representando en los dos ejes de coordenadas su disposición
espacial y las dimensiones de las barras en \mum.
La figura 3.- Muestra una representación gráfica
del funcionamiento del dispositivo dispersor/demultiplexador
óptico, en forma de mapa bidimensional generado por la simulación
del algoritmo de diseño inverso que implementa el dispositivo y da
el valor de la función 20 log (|E (x, y) \lambda_{1} | /
| E (x, y) \lambda_{2} |) en el área espacial del
dispositivo y sus alrededores, según una posible realización de la
invención, que predice la diafonía entre los canales o las
longitudes de onda \lambda_{1} y \lambda_{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
Puede describirse como una de las posibles
realizaciones de la invención, un dispositivo óptico compuesto por
una pluralidad de capas, en el ejemplo preferente son cinco capas,
de barras dieléctricas (1) construidas con el semiconductor AsGa.
Preferiblemente, se utilizan sólo cinco capas de barras
dieléctricas (1) para garantizar su perfecta alineación mediante la
técnica de micromanipulación.
A la vista de la Figura 1, la función del
dispositivo como dispersor de luz o demultiplexador de canales
puede describirse como sigue: El haz de luz (4) es el haz de
fotones que contiene una gama de frecuencias determinada e incide
perpendicularmente sobre la superficie del dispositivo,
representado por dos rejillas (2) de barras (1). El dispositivo
dispersor/demultiplexador divide el haz incidente (4) en dos haces
(5, 6) con sendas longitudes de onda (\lambda_{1},
\lambda_{2}), centradas en 1,50 \mum y 1,55 \mum
respectivamente, siguiendo diferentes trayectorias de manera que
forman entre sí un ángulo (\alpha) que vale 28º aproximadamente.
Disponiendo de un plano (3), que determina la región donde tales
longitudes de onda (\lambda, \lambda_{2}) son recogidas para
su análisis, situado a una distancia (x_{f}) de unos 20 \mum,
los haces de fotones (5, 6) dispersados presentan una anchura
(\delta) de alrededor de 1 \mum en dicho plano (3).
En un ejemplo práctico, el haz de luz (4) puede
estar generado por un láser polarizado de forma que su campo
eléctrico oscila en dirección paralela al eje transversal de las
barras (1), representado como eje de ordenadas (y) en la Figura
2.
En la Figura 2 se muestra un corte en el plano
perpendicular a los ejes de las barras dieléctricas que conforman
el dispositivo, representando en dos dimensiones su disposición
espacial. El material de fabricación de las barras (1), su número,
medidas de la sección y la disposición espacial en capas puede
variar, atendiendo a la técnica litográfica que se use en la
implementación del dispositivo, a la vez que depende de los
parámetros de distancia (x_{f}), anchura (\delta) y ángulo
(\alpha), relativos a la dispersión de los haces (5, 6), según se
fijen como valores óptimos de funcionamiento del demultiplexador.
Tales barras (1), en esta realización usando como material
dieléctrico el AsGa, disponen de una constante dieléctrica igual a
11,36 aproximadamente, para las longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}) de interés, esto es, en este
caso, del orden de 1,50 \mum.
Como se observa en el ejemplo de la Figura 2,
cada una de las barras dieléctricas (1) presenta una sección
cuadrada con unas dimensiones de 0,4 \mum x 0,4 \mum. Puesto
que se disponen cinco capas, representadas en el eje de abscisas de
la Figura 2, el grosor total del dispositivo es de 2 \mum, lo
cual lo convierte en un demultiplexador ultracompacto.
Para evitar la diafonía entre los dos canales
ópticos constituidos por el par de longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}), la separación (d) entre el eje
de incidencia del haz de luz (4) y cada uno de los haces (5, 6) en
que es dividido por el demultiplexador, según se representa en la
Figura 1, se establece en 5 \mum, estando definida dicha
separación (d) del eje del haz incidente (4), transversal al
dispositivo, con respecto a la posición donde dichos haces (5, 6)
son capturados dentro del plano (3). Por consiguiente, la separación
espacial (2d) entre los dos haces (5, 6) vale 10 \mum, en el
plano (3) situado a una distancia (x_{f}) de 20 \mum.
Además, al capturar los haces (5, 6) sobre dicho
plano (3) se prevé un área mínima o anchura (\delta) de 1 \mum,
como se ha dicho anteriormente. Todos estos parámetros (\delta,
d, x_{f}) introducidos en el procedimiento de diseño inverso dan
lugar a una separación entre haces (5, 6) con un ángulo igual a 28º
y una diafonía en ambos canales reducida a menos de -25 dB, como
puede apreciarse en la Figura 3.
La Figura 3 ilustra el mapeo bidimensional de la
función 20 log (|E (x, y) \lambda_{1} | / | E (x, y)
\lambda_{2} |), expresando en el eje de abscisas (X) la
distancia entre la primera capa del dispositivo y el plano (3) a la
distancia (x_{f}) de hasta 20 \mum aproximadamente, mientras
que el eje de ordenadas (Y) toma valores de la sección transversal
de los haces (5, 6) en dicho plano (3); es decir, entre el
intervalo (d+ \delta/2, d- \delta/2) para el haz (5) medido en
los valores de ordenadas (Y) positivos y el intervalo (-d+
\delta/2, -d- \delta/2) para el haz (6) considerado en el
cuadrante del espacio de ordenadas (Y) negativas.
Se trata de maximizar la atenuación de la suma
de diafonía en los dos canales ópticos establecidos, es decir,
garantizar una diafonía mínima entre las dos longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}) para las coordenadas (x_{f}, d)
y (x_{f}, -d), con una resolución igual a la anchura (\delta)
de los respectivos haces (5, 6). En la Figura 3, se señala con un
par de rectángulos (7) la atenuación de unos 25 dB conseguida en
las coordenadas deseadas, a 20 \mum de distancia (x_{f}) al
plano (3) de análisis y a una separación (d) de 5 \mum \pm 1
\mum, que es el valor de la anchura (\delta) de los haces (5,
6). Las barras dieléctricas (1) del dispositivo se dibujan, en la
citada Figura 3, coma cuadrados de 0,4 \mum x 0,4 \mum, según
una posible disposición espacial en cinco capas, entre 0 \mum y
los 2 \mum de grosor total del demultiplexador. El haz de luz (1)
se supone incidiendo sobre la primera capa del dispositivo, en X =
0, según la dirección de abscisas (X) positivas.
Los términos con que se ha redactado esta
memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no
limitativo.
La invención ha sido descrita según este texto y
juego de figuras para algunas realizaciones preferentes de la misma,
pero el experto en la materia podrá entender que múltiples
variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones y
combinarse de diversas maneras dando lugar a más variantes
posibles, sin salir del ámbito definido por las reivindicaciones
que se incluyen seguidamente.
Claims (6)
1. Demultiplexador óptico, susceptible de ser
integrado a una guía de onda plana o a una fibra óptica, que separa
espacialmente las longitudes de onda (\lambda_{1},
\lambda_{2}) contenidas en un haz de luz (4) incidente sobre el
demultiplexador, para dar a su salida una pluralidad de haces (5, 6)
correspondientes a las diferentes longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}) separados mediante un ángulo
(\alpha), caracterizado porque consta de una pluralidad de
capas de barras (1), fabricadas en un material dieléctrico,
configuradas con una sección óptima para obtener un determinado
ángulo (\alpha) de separación entre los haces (5, 6) de salida,
las cuales dispersan el haz de luz (4) en sus múltiples longitudes
de onda (\lambda_{1}, \lambda_{2}).
2. Demultiplexador óptico según reivindicación
1, caracterizado porque el material dieléctrico con el cual
se fabrican las barras (1) es AsGa.
3. Demultiplexador óptico según reivindicación
1, caracterizado porque la sección de las barras (1) es
cuadrada y de lado igual a 0,4 \mum.
4. Demultiplexador óptico según reivindicación
1, caracterizado porque el número de capas de barras (1)
dieléctricas que componen el demultiplexador es cinco.
5. Demultiplexador óptico según reivindicación
1, caracterizado porque el ángulo (\alpha) de separación
entre los haces (5, 6) es de 28º.
6. Demultiplexador óptico según reivindicación
1, caracterizado porque los haces (5, 6) de salida
corresponden a las longitudes de onda (\lambda_{1},
\lambda_{2}) de 1,50 \mum y 1,55 \mum respectivamente.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200501891A ES2297981B2 (es) | 2005-07-22 | 2005-07-22 | Demultiplexador optico. |
PCT/ES2006/000431 WO2007010074A2 (es) | 2005-07-22 | 2006-07-21 | Demultiplexador óptico |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200501891A ES2297981B2 (es) | 2005-07-22 | 2005-07-22 | Demultiplexador optico. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2297981A1 ES2297981A1 (es) | 2008-05-01 |
ES2297981B2 true ES2297981B2 (es) | 2008-12-01 |
Family
ID=37669175
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES200501891A Active ES2297981B2 (es) | 2005-07-22 | 2005-07-22 | Demultiplexador optico. |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2297981B2 (es) |
WO (1) | WO2007010074A2 (es) |
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US6721476B2 (en) * | 2001-12-03 | 2004-04-13 | Honeywell International Inc. | Optical demultiplexer based on three-dimensionally periodic photonic crystals |
KR20060130543A (ko) * | 2003-08-06 | 2006-12-19 | 유니버시티 오브 피츠버그 오브 더 커먼웰쓰 시스템 오브 하이어 에듀케이션 | 표면 플라즈몬-강화 나노-광 소자 및 그의 제조 방법 |
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- 2005-07-22 ES ES200501891A patent/ES2297981B2/es active Active
-
2006
- 2006-07-21 WO PCT/ES2006/000431 patent/WO2007010074A2/es active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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WO2007010074A3 (es) | 2007-05-03 |
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EC2A | Search report published |
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