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Optimization and Performance Analysis of 1×2 and 1×4 MMI Splitters on a Polymer Platform for Board-Level Optical Interconnects

Este artículo presenta el diseño, la simulación y la optimización de divisores de interferencia multimodo compactos de 1×2 y 1×4 en una plataforma de polímero para interconexiones ópticas a nivel de placa, logrando una baja pérdida por exceso, alta uniformidad y una pérdida mínima dependiente de la polarización a 1550 nm.

Autores originales: Zarin Tasnim Nijhum, Nazmus Shakib Lalin, Preangka Roy, Shirazum Monira, Md. Sohel Sikder, Md. Omar Faruk Rasel

Publicado 2026-09-23

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CC BY 4.0

Autores originales: Zarin Tasnim Nijhum, Nazmus Shakib Lalin, Preangka Roy, Shirazum Monira, Md. Sohel Sikder, Md. Omar Faruk Rasel

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la electrónica moderna, los cables que conectan los componentes en una placa de circuito están empezando a alcanzar sus límites. A medida que las computadoras y los dispositivos de comunicación exigen velocidades de datos más rápidas, estas vías eléctricas tradicionales luchan por mantenerse al día, generando a menudo demasiado calor o perdiendo la calidad de la señal en distancias cortas. Para resolver esto, los ingenieros están recurriendo a la luz. Al reemplazar los cables de cobre con diminutos canales que guían haces de luz, conocidos como interconexiones ópticas, los dispositivos pueden mover la información de manera mucho más rápida y eficiente. Sin embargo, crear estas redes basadas en luz a gran escala es difícil y costoso, especialmente cuando se intenta dividir un solo haz de luz en múltiples caminos para alimentar diferentes partes de una computadora. Aquí es donde entra en juego un tipo específico de material llamado polímero. A diferencia del silicio rígido, estos plásticos flexibles pueden ser modelados fácilmente y de forma económica sobre áreas grandes, lo que los convierte en un candidato atractivo para la próxima generación de conexiones de alta velocidad.

Un equipo de investigadores de universidades de Bangladesh y Estados Unidos se ha centrado en perfeccionar un componente clave para estas redes basadas en luz: un dispositivo que toma un haz de luz y lo divide en dos o cuatro haces separados. Lo llaman divisor (splitter). Específicamente, diseñaron y probaron una estructura conocida como divisor de interferencia multimodo. Imagine un pasillo ancho donde una sola persona camina por el centro; a medida que avanza, su trayectoria se expande naturalmente y luego se reforma en patrones distintos en el suelo. De la misma manera, cuando la luz entra en una sección ancha de una guía de ondas de polímero, se expande e interfiere consigo misma, creando múltiples puntos brillantes donde la luz puede ser capturada y enviada a diferentes destinos. Los investigadores utilizaron una poderosa simulación por computadora para diseñar estos divisores, probando cómo se comporta la luz a medida que viaja a través de los canales de plástico. Su objetivo era crear un dispositivo que fuera pequeño, barato de fabricar y capaz de dividir la potencia de la luz de manera uniforme sin desperdiciar mucha de ella.

El equipo trabajó con un tipo específico de polímero híbrido orgánico-inorgánico, que actúa como el núcleo de la guía de ondas, rodeado por un polímero ligeramente diferente que mantiene la luz atrapada en su interior. Simularon dos versiones de su dispositivo: uno que divide la luz en dos caminos y otro que la divide en cuatro. Utilizaron un método que rastrea cómo las ondas de luz se mueven a través del material, ajustando el ancho y la longitud de la sección central ancha, así como la forma de los puntos de entrada y salida, para encontrar las dimensiones perfectas. Descubrieron que, para el divisor de dos vías, una longitud y un ancho específicos producían los mejores resultados. Para el divisor de cuatro vías, más complejo, necesitaron una sección más ancha y una longitud específica para asegurar que la luz se dividiera uniformemente entre las cuatro salidas.

Los resultados de estas simulaciones fueron muy alentadores. El divisor de dos vías dividió con éxito la potencia de la luz exactamente a la mitad, con casi ninguna pérdida de energía en el proceso. El divisor de cuatro vías también funcionó excepcionalmente bien, distribuyendo la luz de modo que cada una de las cuatro salidas recibió casi una cuarta parte de la potencia total. Los investigadores descubrieron que los dispositivos eran muy estables, lo que significa que funcionaban casi de la misma manera independientemente de la orientación de las ondas de luz, una propiedad conocida como polarización. El tamaño total del dispositivo de dos vías era largo, y el del dispositivo de cuatro vías era largo, lo que los hacía lo suficientemente compactos como para caber fácilmente en una placa de circuito estándar. La pérdida de energía en estos dispositivos fue extremadamente baja, con el divisor de cuatro vías perdiendo solo alrededor de 0.34 decibelios de potencia, una cifra que indica una alta eficiencia.

Uno de los hallazgos más significativos fue cómo el tamaño físico del dispositivo afectaba la precisión de las predicciones del diseño. Para el divisor de dos vías, más simple, las fórmulas matemáticas utilizadas para predecir la longitud ideal fueron casi perfectamente precisas, difiriendo en menos del uno por ciento de la simulación por computadora. Sin embargo, para el divisor de cuatro vías, las fórmulas estándar predijeron una longitud que era aproximadamente un 20 por ciento más larga de lo que la simulación mostró que era realmente necesaria. Los investigadores determinaron que esto sucedió porque la entrada ancha utilizada para alimentar la luz en el dispositivo de cuatro vías no excitó todos los patrones de luz internos necesarios de la misma manera que lo haría una entrada más estrecha. Este descubrimiento es importante porque demuestra que, si bien las reglas simples funcionan bien para dispositivos básicos, los más complejos requieren un ajuste cuidadoso para tener en cuenta cómo la luz entra realmente en el sistema.

Estos dispositivos simulados representan un paso prometedor hacia redes ópticas prácticas y de bajo costo para computadoras y centros de datos. Al demostrar que estos divisores de polímero pueden diseñarse para ser pequeños, eficientes y uniformes, el estudio sugiere que los fabricantes podrían pronto producir componentes fiables para interconexiones ópticas a nivel de placa sin necesidad de métodos de fabricación costosos o complejos. El trabajo confirma que estas guías de luz basadas en plástico pueden manejar la tarea de distribuir señales de luz de manera efectiva, ofreciendo una solución escalable para la creciente demanda de transmisión de datos de alta velocidad. Aunque los resultados actuales se basan en modelos computacionales y aún no se han construido ni probado en un laboratorio físico, las simulaciones proporcionan una hoja de ruta clara para la creación de estos componentes, sugiriendo que el camino hacia conexiones ópticas de alta velocidad y asequibles se está volviendo más claro.

Resumen Técnico: Optimización y Análisis de Rendimiento de Divisores MMI 1×2 y 1×4 en una Plataforma de Polímero

Planteamiento del Problema
Las interconexiones eléctricas en las placas de circuito impreso se enfrentan a límites fundamentales en cuanto a ancho de banda agregado, eficiencia energética e integridad de la señal a medida que aumentan las tasas de datos. Si bien la fotónica de silicio aborda las necesidades a escala de chip, las interconexiones ópticas a nivel de placa requieren una solución rentable para el trazado de guías de onda sobre áreas extensas. Las plataformas de polímero ofrecen una alternativa viable debido a su compatibilidad con el procesamiento de litografía UV directa y su baja pérdida de propagación. Sin embargo, un componente crítico para estos enlaces es un elemento de distribución (fan-out) pasivo, compacto y de baja pérdida, capaz de distribuir una única fuente óptica a múltiples receptores. Aunque los dispositivos de Interferencia Multimodo (MMI) son estándar en redes integradas en chips, estudios previos en plataformas de polímero se han centrado principalmente en la división de dos vías o en geometrías tridimensionales que sufren de desequilibrio entre puertos. Existe la necesidad de un diseño y optimización cuantitativa de dispositivos de distribución pasiva de orden superior (1×4) en núcleos de polímero de índice escalonado, abordando específicamente las limitaciones de las herramientas de dimensionamiento analítico cuando se aplican a secciones multimodo anchas.

Metodología
Los autores diseñaron y optimizaron divisores MMI 1×2 y 1×4 utilizando polímeros híbridos orgánico-inorgánicos SUNCONNECT (núcleo: NP001L2, $n=1.573$ ; revestimiento: NP216, $n=1.560$ ) a una longitud de onda de 1550 nm. Los dispositivos utilizan un perfil de índice escalonado para asegurar una evolución de fase estable y una autoimagen de alta fidelidad.

El proceso de diseño siguió un flujo de trabajo de tres etapas:

Semilla Analítica: Los parámetros geométricos iniciales (ancho multimodo $W_{MMI}$ y longitud $L_{MMI}$ ) se derivaron de relaciones de interferencia simétrica de forma cerrada establecidas por Soldano y Pennings. Se utilizó el método del índice efectivo para aproximar el índice de la capa (slab) y se consideraron los desplazamientos de Goos–Hänchen en los cálculos del ancho efectivo.
Optimización Paramétrica: Utilizando el método de propagación de haz por diferencia finita (BPM) implementado en RSoft BeamPROP, los autores realizaron barridos paramétricos. Las variables clave incluyeron $W_{MMI}$ , $L_{MMI}$ , dimensiones de la conicidad (taper) y espaciamiento de los puertos de salida. La optimización buscó resolver físicamente los lóbulos de la autoimagen, minimizar la pérdida excesiva y maximizar la uniformidad de la potencia de salida.
Evaluación del Rendimiento: Las simulaciones finales se realizaron en modo vectorial completo para evaluar las polarizaciones TE y TM. Las métricas incluyeron la relación de división de potencia (PSR), la pérdida excesiva (EL), la pérdida de inserción (IL) y la pérdida dependiente de la polarización (PDL).

Contribuciones Clave

Extensión a Distribución (Fan-out) 1×4: El trabajo extiende la plataforma de polímero de índice escalonado de la división de dos vías a la de cuatro vías dentro de una huella de menos de 1.5 mm, abordando un vacío en la literatura existente que se ha centrado principalmente en geometrías 1×2 o 3D.
Validación Cuantitativa de Modelos Analíticos: El estudio evalúa críticamente la aplicabilidad de las relaciones de interferencia simétrica de forma cerrada. Demuestra que, si bien estas relaciones son cuantitativamente predictivas para dispositivos 1×2 (desviación < 0.6%), sobreestiman significativamente la longitud de imagen para dispositivos 1×4 (desviación ~20.7%).
Mecanismo de Discrepancia: Los autores atribuyen la discrepancia en el dispositivo 1×4 a la "conicidad de entrada ancha" requerida para iluminar los lóbulos de la imagen exteriores. Esta excitación amplia excita más fuertemente los modos de orden inferior, pero no logra excitar completamente los modos simétricos de orden superior, lo que efectivamente acorta la longitud de batido aparente y contrae el espaciamiento de la imagen transversal en comparación con el modelo idealizado.
Análisis Integral de Polarización: El artículo proporciona un conjunto completo de rendimiento TE/TM, incluyendo la pérdida de inserción por puerto y la PDL, para ambas configuraciones en una única pila de materiales.

Resultos
Los dispositivos optimizados alcanzaron las siguientes métricas de rendimiento a $\lambda = 1550$ nm:

Divisor 1×2:
- Dimensiones: $W_{MMI} = 18$ $\mu$ m, $L_{MMI} = 210$ $\mu$ m, Longitud Total = 670 $\mu$ m.
- División: 50%/50% con 0% de falta de uniformidad.
- Pérdida: Pérdida excesiva de 0.137 dB (TE) y 0.139 dB (TM).
- PDL: 0.002 dB.
Divisor 1×4:
- Dimensiones: $W_{MMI} = 47$ $\mu$ m, $L_{MMI} = 490$ $\mu$ m, Longitud Total = 1430 $\mu$ m.
- División: Distribución casi uniforme (25.07%, 24.93%, 24.93%, 25.07%) con una falta de uniformidad de 0.07 puntos porcentuales.
- Pérdida: Pérdida excesiva de 0.333 dB (TE) y 0.344 dB (TM).
- PDL: 0.011 dB.
- Desequilibrio de Salida: Menos de 0.03 dB entre puertos.

Se encontró que el espaciamiento de los puertos de salida para el dispositivo 1×4 es simétrico respecto al espejo pero no equidistante (separación interna: 10.45 $\mu$ m; separación externa: 30.32 $\mu$ m), un ajuste necesario para alinearse con los máximos de imagen reales formados bajo las condiciones de excitación específicas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que los divisores MMI de polímero compactos pueden proporcionar una distribución pasiva de bajo costo, baja pérdida y escalable para el enrutamiento óptico a nivel de placa. Los resultados indican que estos dispositivos son adecuados para interconexiones de corto alcance, ofreciendo una pérdida excesiva inferior a 0.35 dB y una PDL inferior a 0.02 dB.

Los autores declaran explícitamente que el trabajo se basa en simulaciones BPM bajo condiciones idealizadas. No pretenden la validación experimental ni la evaluación de la variabilidad de fabricación, la estabilidad térmica o la dependencia de la longitud de onda dentro de este estudio. En su lugar, posicionan este trabajo como una base de diseño y optimización, señalando que trabajos futuros abordarán la fabricación, la validación experimental y la cuantificación de los márgenes de operación prácticos. El estudio enfatiza que, si bien la autoimagen de interferencia simétrica ofrece el ancho de banda óptico más amplio y la tolerancia de fabricación más laxa teóricamente, estos márgenes aún deben ser cuantificados para las geometrías presentadas.

Resumen Técnico: Optimización y Análisis de Rendimiento de Divisores MMI 1×2 y 1×4 en una Plataforma de Polímero

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