Guía de ondas ranurada

Una guía de ondas ranurada es una guía de ondas óptica que guía luz fuertemente confinada en una región de bajo índice de refracción a escala sublongitudinal mediante reflexión interna total .

Una guía de onda ranurada consta de dos tiras o láminas de materiales de alto índice de refracción (n _H ) separadas por una región ranurada de escala sublongitudinal de onda de bajo índice de refracción (n _S ) y rodeadas por materiales de revestimiento de bajo índice de refracción (n _C ).

El principio de funcionamiento de una guía de ondas ranurada se basa en la discontinuidad del campo eléctrico (campo E) en interfaces de alto contraste de índice de refracción. Las ecuaciones de Maxwell establecen que, para satisfacer la continuidad de la componente normal del campo de desplazamiento eléctrico D en una interfaz, el campo E correspondiente debe experimentar una discontinuidad de mayor amplitud en el lado de bajo índice de refracción. Es decir, en una interfaz entre dos regiones con constantes dieléctricas ε _S y ε _H , respectivamente:

D _S ^N =D _H ^N

ε _S E _S ^N =ε _H E _H ^N

n _S ² E _S ^N =n _H ² E _H ^N

donde el superíndice N indica las componentes normales de los campos vectoriales D y E. Por lo tanto, si n _S < <n _H , entonces E _S ^N >>E _H ^N .

Dado que la dimensión crítica de la ranura (distancia entre las láminas o tiras de alto índice) es comparable a la longitud de decaimiento exponencial del modo propio fundamental de la estructura de onda guiada, el campo E resultante normal a las interfaces de alto contraste de índice se intensifica en la ranura y permanece alto a través de ella. La densidad de potencia en la ranura es mucho mayor que en las regiones de alto índice. Dado que la propagación de la onda se debe a la reflexión interna total, no hay efecto de interferencia y la estructura de ranura presenta una sensibilidad a la longitud de onda muy baja. ^{[ 1 ]}

La guía de ondas ranurada nació en 2003 como resultado inesperado de estudios teóricos sobre modulación electroóptica metal - óxido - semiconductor (MOS) en guías de ondas fotónicas de silicio de alta confinamiento, realizados por Vilson Rosa de Almeida y Carlos Angulo Barrios, entonces estudiante de doctorado y asociado postdoctoral, respectivamente, en la Universidad de Cornell . El análisis teórico ^{[ 1 ]} y la demostración experimental ^{[ 2 ]} de la primera guía de ondas ranurada implementada en el sistema de materiales Si/SiO₂ _a una longitud de onda de operación de 1,55 μm fueron publicados por investigadores de Cornell en 2004.

Desde estos trabajos pioneros, se han propuesto y demostrado varias configuraciones de guía de onda basadas en el concepto de guía de onda ranurada. Algunos ejemplos relevantes son los siguientes:

En 2005, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts propusieron utilizar múltiples regiones de ranura en la misma estructura de guía de onda (guía de onda multiranura) para aumentar el campo óptico en las regiones de bajo índice de refracción. ^{[ 3 ]} La demostración experimental de dicha guía de onda multiranura en una configuración horizontal se publicó por primera vez en 2007. ^{[ 4 ]}

En 2006, el enfoque de guía de onda ranurada fue extendido a la banda de frecuencia de terahercios por investigadores de la Universidad RWTH Aachen . ^{[ 5 ]} Investigadores del Instituto Tecnológico de California también demostraron que una guía de onda ranurada, en combinación con polímeros electroópticos no lineales , podría usarse para construir moduladores de anillo con una sintonización excepcionalmente alta. ^{[ 6 ]} Posteriormente, este mismo principio permitió a Baehr-Jones et al. demostrar un modulador Mach-Zehnder con un voltaje de accionamiento excepcionalmente bajo de 0,25 V. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En 2007, investigadores de la Universidad de Bath demostraron una implementación no planar del principio de funcionamiento de la guía de ondas ranurada . Mostraron la concentración de energía óptica dentro de un orificio de aire de escala sublongitudinal que recorría la longitud de una fibra de cristal fotónico . ^{[ 9 ]}

Recientemente, en 2016, se demostró ^{[ 10 ]} que las ranuras en un par de guías de onda, si se desplazan entre sí, pueden aumentar el coeficiente de acoplamiento incluso en más del 100% si se optimizan adecuadamente, y por lo tanto, la longitud efectiva de acoplamiento de potencia entre las guías de onda puede reducirse significativamente. También se demostró numéricamente un divisor de haz polarizador asistido por ranura híbrida (con una ranura vertical en una guía de onda y una ranura horizontal en la otra) . Aunque las pérdidas son altas para tales estructuras de ranura, este esquema que aprovecha las ranuras asimétricas puede tener potencial para diseñar acopladores direccionales ópticos y divisores de haz polarizador muy compactos para dispositivos ópticos integrados en chip.

La curvatura de la guía de onda ranurada es otra estructura esencial para el diseño de guías de onda en diversos dispositivos microópticos y nanoópticos integrados. Una de las ventajas de las curvaturas de guía de onda es la reducción del tamaño de la huella del dispositivo. Existen dos enfoques, basados ​​en la similitud del ancho de los rieles de silicio, para formar la curvatura pronunciada en la guía de onda ranurada: las guías de onda ranuradas simétricas y asimétricas. ^{[ 11 ]}

Se han fabricado guías de onda planares ranuradas en diferentes sistemas de materiales como Si/SiO ₂ ^{[ 2 ] [ 12 ] [ 13 ]} y Si ₃ N ₄ /SiO ₂ . ^{[ 14 ]} Se han implementado configuraciones tanto verticales (el plano de la ranura es normal al plano del sustrato) como horizontales (el plano de la ranura es paralelo al plano del sustrato) utilizando técnicas convencionales de micro y nanofabricación. Estas herramientas de procesamiento incluyen litografía de haz de electrones , fotolitografía , deposición química de vapor [generalmente deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) o deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD)], oxidación térmica , grabado iónico reactivo y haz de iones focalizado .

En las guías de onda de ranura verticales, el ancho de las ranuras y las tiras se define mediante técnicas de litografía electrónica o fotolitografía y grabado en seco , mientras que en las guías de onda de ranura horizontales, el espesor de las ranuras y las tiras se define mediante una técnica de deposición de película delgada u oxidación térmica. La deposición de película delgada o la oxidación proporcionan un mejor control de las dimensiones de las capas y interfaces más suaves entre los materiales de alto contraste de índice que las técnicas de litografía y grabado en seco. Esto hace que las guías de onda de ranura horizontales sean menos sensibles a las pérdidas ópticas por dispersión debidas a la rugosidad de la interfaz que las configuraciones verticales.

También se ha demostrado la fabricación de una configuración de guía de onda ranurada no planar (basada en fibra) mediante tecnología de fibra óptica microestructurada convencional . ^{[ 9 ]}

Una guía de onda ranurada produce una alta amplitud de campo E, potencia óptica e intensidad óptica en materiales de bajo índice a niveles que no se pueden lograr con guías de onda convencionales. Esta propiedad permite una interacción altamente eficiente entre campos y materiales activos, lo que puede conducir a conmutación totalmente óptica , ^{[ 15 ]} amplificación óptica ^{[ 16 ] [ 17 ]} y detección óptica ^{[ 6 ]} en fotónica integrada . El fuerte confinamiento del campo E se puede localizar en una región de bajo índice a escala nanométrica . Como se señaló por primera vez en, ^{[ 1 ]} la guía de onda ranurada se puede utilizar para aumentar en gran medida la sensibilidad de dispositivos de detección óptica compactos ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} o para mejorar la eficiencia de sondas ópticas de campo cercano . En frecuencias de terahercios, se ha diseñado un divisor basado en guía de onda ranurada que permite la propagación de baja pérdida de ondas de terahercios. El dispositivo actúa como un divisor a través del cual se puede lograr el máximo rendimiento ajustando la relación de longitud del brazo del lado de entrada al lado de salida. ^{[ 25 ]}