DiseÑOo, modelado y simulaciones numéricas de Demultiplexores de Longitud de Onda (AWG) basados en la tecnologÍa del Silicio.

JEFFRY H. MARTÍNEZ VALDIVIEZO; ROBERTO PEYTON; GUSTAVO ADRIAN TORCHIA

Bariloche

Congreso; 107° Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

Instituto Balseiro - Centro Atómico Bariloche

En este trabajo presentamos dispositivos Ópticos planares integrados que normalmente se utilizancomo multiplexores/demultiplexores de longitud de onda, comúnmente denominados AWG (Arrayed Waveguide Gratings). El diseño de estos dispositivos se basa en una serie de guías de ondas con propiedades tanto de imagen como de dispersión. Los AWGs se pueden usar para multiplexar múiltiples canales de diferentes longitudes de onda en una sola fibra óptica en el transmisor y también se pueden usar para demultiplexarlos nuevamente en sus canales individuales de diferentes longitudes de onda en el receptor. Comúnmente tienen aplicaciones en el campo de las comunicaciones ópticas, pero también en otras áreas de aplicación, como el procesamiento de señales, la medición y la detección. Debido a una creciente necesidad de desarrollar sensores compactos capaces de adquirir detecciones biológicas y ambientales, la detección óptica y espectroscópica son los enfoques más prometedorespara satisfacer los requisitos de este tipo de sensores. Aunque existen algunos sensores espectroscópicos compactos basados en un sistema óptico de espacio libre, todavía es un desafío lograr una mayor miniaturización y reducción de peso, manteniendo una alta resolución de longitud de onda. Para superar estos problemas, los AWGs presentan cualidades y características que pueden satisfacer tanto la miniaturización de los sensores espectroscópicos, comoel mantenimiento de una alta resolución de longitud de onda simultáneamente. Debido a estas capacidades, los AWGs han demostrado una fuerte versatilidad como componentes en sistemas de sensores Interferométricos y de FBG (Fibre Bragg Grating).Por lo mencionado anteriormente, en este trabajo se propone una metodología útil para diseñar AWGs mediante el estudio de sus parámetros clave, lo que nos permite optimizar características específicas en su respuesta espectral así como también de su tamaño. Se presenta un simple pero comprensivo y completo modelo de campo de un AWG de 1x8 canales, basado en óptica de Fourier para el análisis y procesamiento de señales ópticas, pero al mismo tiempo el método empleado para calcular parámetros relevantes como: enfoque, dispersión, Free SpectralRange (FSR), diafonía, pérdidas por inserción, desplazamiento de longitud de onda central, ruido de fondo, etc. Entonces, elaboramos un modelo computacional que presenta un procedimiento útil, y que además considera las limitaciones de resolución física propias del dispositivo y por procesos litográficos. Luego, mediante sucesivas simulaciones numéricas basadas en Diferencia Finita en el Dominio del Tiempo (FDTD), se valida la metodología empleada optimizando de esta manera el diseño del AWG dependiendo de los requerimientos del usuario. La relación entre la respuesta espectral transmitida y la optimización de los parámetros fueron estudiadas. Algunos de los resultados obtenidos son: diafonía con el canal vecino de -4.15[dB], pérdidas por inserción del canal central (Lc) y no uniformidad (Lu) de -2[dB] y 1.2[dB] respectivamente, ruido de fondo de 37.5[dB], FSR de 29.2[nm] y una reducción en potencia de señal a la mitad de su valor máximo de -5.5[dB]. El AWG está diseñado para ser fabricado con modernos procesos de tecnología CMOS, particularmente en la plataforma del Silicio sobre aislante (SOI). Como perspectivas a futuro, implementaremos este tipo de dispositivos, en sistemas de detección de gasesen el infrarrojo medio, integrados en sensores compactos con tecnologías como el SOI y la del Nitruro de Silicio (Si3N3).