Ferney Castro Simanca1, Francisco Domínguez Serna2, Wencel De La Cruz3 y Karina Garay Palmett1
1Departamento de Óptica, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C
2SECIHTI, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C.
3Centro de Nanociencias y Nanotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México
¿Qué es un acoplador óptico integrado y por qué es importante?
Imagina un cruce de caminos para la luz dentro de un chip. Ese cruce se llama acoplador óptico integrado, un componente fundamental de los circuitos fotónicos, que son dispositivos capaces de manipular la luz para realizar funciones similares a las de los circuitos electrónicos… pero con fotones.
Estos acopladores pueden dividir haces de luz, mezclar diferentes frecuencias, o guiar señales ópticas hacia otras partes del chip. Son clave en tecnologías emergentes como:
Computación cuántica fotónica
Redes ópticas de alta velocidad
Sensado óptico
La tesis de maestría de Ferney Castro Simanca (CICESE, 2021, http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3640) se centra en el diseño, simulación y fabricación de estos dispositivos, utilizando un material muy especial: el nitruro de silicio (Si₃N₄).
¿Qué se investigó?
Se abordaron dos frentes:
1. Diseño teórico y simulación numérica: Se desarrollaron herramientas para modelar cómo la luz se propaga y acopla entre dos guías de onda. El objetivo fue encontrar geometrías y parámetros óptimos que minimicen las pérdidas de potencia y permitan trabajar en régimen monomodo, es decir, donde la luz se propaga de manera controlada.
2. Fabricación experimental: Se implementó un proceso completo de microfabricación en el Laboratorio de Nanofabricación (LaNNaFab) del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), logrando estructuras submicrométricas en fotoresina. Se caracterizaron con microscopía óptica y microscopía de fuerza atómica, confirmando que el proceso permite fabricar los diseños propuestos.
¿Cómo funcionan estos acopladores?
Un acoplador óptico está formado por dos guías de onda cercanas. Cuando están suficientemente próximas, la luz que se propaga en una de ellas puede “saltar” a la otra gracias al campo evanescente, una especie de “halo” invisible alrededor del haz principal.
El grado de acoplamiento depende de:
La distancia entre las guías
La longitud del segmento acoplador
El radio de curvatura de los brazos de entrada y salida
El trabajo demostró cómo ajustar todos estos parámetros para lograr funciones como:
División 50:50 de potencia
Separación o mezcla de frecuencias ópticas (útil para aplicaciones en telecomunicaciones y cómputo cuántico)
Figura 1. Funcionamiento de un acoplador óptico integrado como divisor de potencia 50:50.
En la figura 1 se muestra un acoplador óptico integrado funcionando como divisor de potencia. Se puede ver que, si se envía luz de cierta potencia por uno de los brazos de entrada, la potencia inicial se distribuye entre los dos brazos de salida. La figura 1 ilustra el caso especial de un divisor de potencia 50:50, es decir, cuando se obtiene la misma potencia en los dos brazos de salidad.
¿Qué aportes concretos hizo la tesis?
· Desarrollo de módulos de simulación por diferencias finitas
· Estudio comparativo de métodos numéricos (FDE, FDTD, VarFDTD…)
· Diseño y simulación de:
2 divisores de haz 50:50 a 826 nm
1 separador/mezclador de frecuencias a 826 nm y 1555 nm
Análisis de tolerancia a errores de fabricación
Proceso completo de fotolitografía con materiales disponibles en México
Fabricación de estructuras funcionales con dimensiones menores a 1 µm
¿Por qué es relevante?
Este trabajo no es solo un ejercicio académico: forma parte de un esfuerzo mayor de los grupos LINOC (Laboratorio de Interacciones No Lineales y Óptica Cuántica del CICESE) y NANODID (Nanociencias para el Diseño e Implementación de Dispositivos del CNyN, UNAM) para construir circuitos fotónicos capaces de procesar información cuántica. Los acopladores diseñados en esta tesis son bloques esenciales de compuertas cuánticas, interferómetros y filtros espectrales que están en desarrollo en México.