Integrated photonic routers driven by surface acoustic waves

Zusammenfassung

Durante la segunda mitad del siglo XX se produjo un desarrollo excepcional de la capacidad de transmitir y procesar información electrónicamente. Esto fue debido en parte a la capacidad de integrar en un único substrato una gran cantidad de transistores, que son las unidades fundamentales de procesamiento de datos. Este comportamiento quedó resumido en la ley de Moore, que predecía que el número de transistores integrados se duplicaría cada 24 meses. Esta tendencia, que se ha mantenido hasta la actualidad con transistores de tamaño nanométrico, no puede continuar indefinidamente. Uno de los problemas fundamentales reside en la capacidad limitada para disipar el calor que generan los dispositivos, y que afecta considerablemente al rendimiento del circuito. Así, son necesarias otras tecnologías que permitan superar estos inconvenientes. Una alternativa prometedora son los circuitos integrados fotónicos, en los que en principio es posible fabricar dispositivos con las mismas funciones que sus análogos electrónicos, pero evitando el problema de la generación de calor. A la par, la producción en masa y la miniaturización de los circuitos integrados electrónicos permitió generar y manipular una gran cantidad de datos. De este modo, la creciente demanda de transmisión de datos propició el desarrollo de extensas redes de fibra óptica para la transmisión de datos. Sin embargo, el procesamiento de las señales en los nodos de estas redes se realiza aún electrónicamente, de modo que son necesarias costosas interfaces de conversión electrón-fotón y viceversa. Una solución a este problema consistiría en la sustitución total o parcial de las unidades de procesamiento electrónico en los nodos de las redes por elementos puramente fotónicos. Ello requeriría el desarrollo de dispositivos fotónicos activos tales como interruptores ópticos, capaces de dar a la red la misma flexibilidad que su análogo electrónico, con la posibilidad además de utilizar los tiempos de respuesta ópticos para conseguir dispositivos fotónicos muy rápidos. Aparte de todo esto, el diseño de dispositivos activos permite también reducir el tamaño de los dispositivos, favoreciendo por tanto la integración de un número elevado de componentes en un único substrato, así como la realización de funciones que serían imposibles con sólo elementos pasivos. En esta tesis, proponemos la utilización de fonones coherentes en la forma de ondas acústicas superficiales para modular la respuesta de dispositivos fotónicos pasivos. Los dispositivos modulados acústicamente demostrados en este trabajo están compuestos por dos acopladores MMI (acrónimo de Multi-Mode Interference) con N guías de acceso, unidos mediante un conjunto de N guías de ondas monomodo. La estructura central de los acopladores MMI está formada por una guía de ondas multimodo, diseñada para permitir la propagación de un número elevado de modos ópticos, y en la que se inyecta y se extrae la luz mediante un conjunto de guías de ondas, generalmente monomodo, colocadas en sus extremos. Utilizando las fases de transferencia entre los puertos de los acopladores MMI, derivamos relaciones de fase sencillas entre el conjunto de guías que permiten reconfigurar la respuesta de los dispositivos cuando se escoge la longitud adecuada de los acopladores MMI. Además, también consideramos el caso en el que se introduce dispersión en longitud de onda en las guías, de modo que el dispositivo final funciona como un multiplexor. Además, derivamos expresiones muy compactas para calcular la asignación de los dispositivos en función de la potencia acústica aplicada. Finalmente, presentamos los resultados experimentales correspondientes a dos interferómetros Mach-Zehnder con dos y tres guías de salida. Estos dispositivos fueron utilizados como prueba de concepto para el caso más complejo de un multiplexor modulado acústicamente con cinco guías de acceso. Todos los dispositivos fueron fabricados en una plataforma GaAs/AlGaAs, y los resultados experimentales están en excellente concordancia con las simulaciones. The last decades of the Twentieth Century witnessed an enormous increase in the demand for data transmission capacity, mainly thanks to great advances in the development of electronic integrated circuits which enabled the efficient processing and handling of large amounts of data. This need for increased bandwidth resulted in the placement of thousand of transmission lines based on optical fibers, arranged in enormous networks worldwide. Although most of nowadays long-distance data transmission is made optically through optical fibers, most of the signal processing is still performed electronically at the network nodes. In this way, the developing of purely optical processing units in order to avoid costly conversion interfaces soon revealed essential for nowadays communications and information technologies. For this purpose, it is of paramount importance to develop photonic devices which are, at the same time, compact, fast, reliable. inexpensive, loss-less, and stable. The first efforts were focused on optimizing passive components, such as waveguides, or power splitters and combiners, which transport the optical signal in the manner of wires in electronic circuits. Other important components, as for instance wavelength-division multiplexing (WDM) devices based on phased-array WDM technology, and integrated polarization splitters, have also been extensively investigated during the past decades. Besides these passive devices, it was also necessary to develop integrated light sources and optical detectors, as well as active devices such as optical modulators and switches, which play the role of transistors in electronic circuits and enable novel photonic funtionalities that are essential for the signal processing in the optical domain. Additionally, the external control of light propagation inside the devices also allows for a reduction in the dimensions of the resulting integrated circuits, thus favoring the on-chip integration of a large number of photonic components. In this thesis, photonic devices driven by surface acoustic waves and operating in the GHz frequency range are presented. In contrast to previously realized modulators, where part of the light transmission is lost due to destructive interference, in the present devices light only switches paths, avoiding losses. We present a design approach for compact reconfigurable devices with N access waveguides based on multi-mode interference (MMI) couplers. The proposed devices comprise two MMI couplers which are employed as power splitters and combiners, respectively, linked by an array of N single-mode waveguides. Taking advantage of the transfer phases between the access ports of the MMI couplers, we derive very simple phase relations between the modulated waveguides that enable the reconfiguration of the output channel distribution when the appropriated coupling lengths of the MMI couplers are chosen. Furthermore, we derive very simple phase relations between the arms that provide wavelength dispersion at the output plane of the devices. When the effective refractive index of the waveguides is modulated with the proper relative optical phase difference, each wavelength component can switch paths between the preset output channel and the remaining output waveguides. Furthermore, a very compact expression to calculate the channel assignment of the devices as a function of the applied phase shift is derived for the general case of N access waveguides. Finally, the experimental results corresponding to two Mach-Zehnder interferometers built upon two MMI couplers with two and three output WGs, respectively, are presented. These two devices were intended as a proof of concepts for the more complex acoustically driven phased-array WDM device, which is described later. The experimental results are in excellent agreement with the theoretical results.