Diseño de un desplazador de fase MEMS fotónico de silicio con simulación

Diseño de un desplazador de fase MEMS fotónico de silicio con simulación

Este artículo patrocinado es presentado por COMSOL.

El mundo moderno conectado a Internet a menudo se describe como cableado, pero la mayor parte del tráfico de datos de la red central en realidad se transporta por fibra óptica, no por cables eléctricos. A pesar de esto, la infraestructura existente aún depende de muchos componentes de procesamiento de señales eléctricas integrados dentro de las redes de fibra óptica. Reemplazar estos componentes con dispositivos fotónicos podría aumentar la velocidad, la capacidad y la confiabilidad de la red. Para ayudar a aprovechar el potencial de esta tecnología emergente, un equipo multinacional del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) ha desarrollado un prototipo de un cambiador de fase fotónico de silicio, un dispositivo que podría convertirse en un componente esencial para la próxima generación de tecnología óptica. Redes de datos de fibra.

Iluminando un camino hacia las redes totalmente ópticas

El uso de dispositivos fotónicos para procesar señales fotónicas parece lógico, entonces, ¿por qué este enfoque no es ya la norma? “¡Una muy buena pregunta, pero en realidad es difícil de responder!” dice Hamed Sattari, ingeniero actualmente en el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) que se especializa en circuitos integrados fotónicos (PIC) con un enfoque en la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Sattari fue un miembro clave del equipo de fotónica de la EPFL que desarrolló el cambiador de fase fotónico de silicio. Al buscar un enfoque basado en MEMS para el procesamiento de señales ópticas, Sattari y sus colegas están aprovechando la tecnología de fabricación nueva y emergente. “Incluso hace diez años, no podíamos producir de manera confiable estructuras móviles integradas para usar en estos dispositivos”, dice Sattari. “Ahora, la fotónica de silicio y MEMS se están volviendo más alcanzables con las capacidades de fabricación actuales de la industria microelectrónica. Nuestro objetivo es demostrar cómo se pueden utilizar estas capacidades para transformar la infraestructura de red de fibra óptica”.

Las redes de fibra óptica, que constituyen la columna vertebral de Internet, dependen de muchos dispositivos de procesamiento de señales eléctricas. Los componentes de la red fotónica de silicio a nanoescala, como los cambiadores de fase, podrían aumentar la velocidad, la capacidad y la confiabilidad de la red óptica.

El proyecto de diseño del cambiador de fase es parte de los esfuerzos más amplios de EPFL para desarrollar componentes fotónicos programables para redes de datos de fibra óptica y aplicaciones espaciales. Estos dispositivos incluyen interruptores; acopladores de rejilla de chip a fibra; atenuadores ópticos variables (VOA); y desfasadores, que modulan las señales ópticas. “Los desfasadores ópticos existentes para esta aplicación tienden a ser voluminosos o sufren pérdida de señal”, dice Sattari. “Nuestra prioridad es crear un cambiador de fase más pequeño con menor pérdida y hacerlo escalable para su uso en muchas aplicaciones de red. La actuación de MEMS de guías de ondas móviles podría modular una señal óptica con bajo consumo de energía en un espacio reducido”, explica.

Cómo ayuda una guía de ondas móvil a modular las señales ópticas

El cambiador de fase MEMS es un mecanismo sofisticado con un propósito engañosamente simple: ajusta la velocidad de la luz. Cambiar la fase de la luz es ralentizarla. Cuando la luz transporta una señal de datos, un cambio en su velocidad provoca un cambio en la señal. Los cambios de fase rápidos y precisos modularán la señal, apoyando la transmisión de datos con una pérdida mínima en toda la red. Para cambiar la fase de la luz que viaja a través de un conductor de fibra óptica, o guía de ondas de autobúsel mecanismo MEMS mueve una pieza de silicio translúcido llamada acoplador muy cerca del autobús.

Ilustración de un cambiador de fase MEMS en las posiciones de encendido y apagado.

El diseño del mecanismo MEMS en el cambiador de fase proporciona dos etapas de movimiento (Figura 1). La primera etapa proporciona un movimiento simple de encendido y apagado de la guía de ondas del acoplador, acoplando o desacoplando así el acoplador al bus. Cuando el acoplador está enganchado, la segunda etapa proporciona un rango de movimiento más fino. Esto permite sintonizar el espacio entre el acoplador y el bus, lo que proporciona una modulación precisa del cambio de fase en la señal óptica. “Mover el acoplador hacia el bus es lo que cambia la fase de la señal”, explica Sattari. “El acoplador está hecho de silicona con un alto índice de refracción. Cuando los dos componentes están acoplados, una onda de luz que se mueve a través del bus también pasará a través del acoplador y la onda se ralentizará”. Si el acoplamiento óptico del acoplador y el bus no se controla cuidadosamente, la forma de onda de la luz puede distorsionarse, lo que podría causar la pérdida de la señal y los datos.

Diseño a nanoescala con simulación óptica y electromecánica

El desafío para Sattari y su equipo fue diseñar un mecanismo a nanoescala para controlar el proceso de acoplamiento de la manera más precisa y confiable posible. Como su cambiador de fase usaría corriente eléctrica para mover físicamente un elemento óptico, Sattari y el equipo de EPFL adoptaron un enfoque de dos vías para el diseño del dispositivo. Su objetivo era determinar cuánto voltaje debía aplicarse al mecanismo MEMS para inducir el cambio deseado en la señal fotónica. La simulación fue una herramienta esencial para determinar los múltiples valores que establecerían la relación tensión versus fase. “El voltaje frente a la fase es una cuestión multifísica compleja. El software COMSOL Multiphysics nos dio muchas opciones para dividir este gran problema en tareas más pequeñas”, dice Sattari. “Llevamos a cabo nuestra simulación en dos arcos paralelos, utilizando el Módulo de RF para el modelado óptico y el Módulo de Mecánica Estructural para la simulación electromecánica”.

El modelado óptico (Figura 2) incluyó un análisis de modo, que determinó el índice de refracción efectivo de los elementos de guía de ondas acoplados, seguido de un estudio de la propagación de la señal. “Nuestro objetivo es que la luz entre y salga de nuestro dispositivo con solo el cambio deseado en su fase”, dice Sattari. “Para ayudar a lograr esto, podemos determinar el modo propio de nuestro sistema en COMSOL”.

La imagen de la izquierda muestra la simulación EM de un bus óptico con luz que lo atraviesa, y la imagen de la derecha muestra seis imágenes transversales de cómo se comporta el haz de luz para diferentes configuraciones del bus.

Modelo 3D que muestra la guía de ondas, con estructura exterior en rojo y elementos interiores que se suspenden y flexionan en azul.

La izquierda muestra un gráfico del cambio de fase que aumenta a medida que aumenta el espacio vertical;  la gráfica de la derecha muestra disminuciones de voltaje y aumentos de pérdida a medida que aumenta el espacio vertical.

Además de determinar las formas físicas de la guía de ondas y el mecanismo de actuación, la simulación también permitió a Sattari estudiar los efectos del estrés, como la deformación o el desplazamiento no deseados causados ​​por la operación repetida. “Cada decisión sobre el diseño se basa en lo que nos mostró la simulación”, dice.

Agregando a la base de futuras redes fotónicas

El objetivo de este proyecto era demostrar cómo se podían producir cambiadores de fase MEMS con las capacidades de fabricación existentes. El resultado es un diseño robusto y confiable que se puede lograr con los procesos de fabricación de superficie micromecanizada existentes y ocupa un espacio total de solo 60 μm × 44 μm. Ahora que tienen una prueba de concepto establecida, Sattari y sus colegas esperan ver sus diseños integrados en las redes ópticas de datos del mundo. “Estamos creando elementos básicos para el futuro, y será gratificante ver cómo su potencial se convierte en realidad”, dice Sattari.

Referencias

  1. H. Sattari et al.,Desplazador de fase MEMS fotónico de silicio,” Óptica Expressvol. 27, no. 13, pp. 18959–18969, 2019.
  2. TJ Seok et al., “Conmutadores fotónicos digitales de silicio de banda ancha a gran escala con acopladores adiabáticos verticales,” ÓPTICOvol. 3, no. 1, pp. 64–70, 2016.