Guía de ondas ARROW

En óptica , una guía de ondas ARROW ( anti-resonant reflective optical waveguide ) es un tipo de guía de ondas que utiliza el principio de interferencia de película delgada para guiar la luz con poca pérdida. Está formada por un reflector Fabry-Pérot antirresonante . El modo óptico es permeable, pero se puede lograr una propagación con relativamente poca pérdida si se fabrica el reflector Fabry-Pérot con una calidad suficientemente alta o un tamaño pequeño.

Principios de funcionamiento

Sistema típico de un núcleo sólido ARROW. Al acoplar una fuente de luz al núcleo de un ARROW, los rayos de luz que se refractan en las capas de revestimiento interfieren destructivamente entre sí, formando una antirresonancia. Esto da como resultado que no haya transmisión a través de las capas de revestimiento. El confinamiento de la luz en la superficie superior del núcleo guía se logra mediante la reflexión interna total con aire.

ARROW se basa en el principio de interferencia de película delgada. Se crea mediante la formación de una cavidad Fabry-Perot en la dirección transversal, con capas de revestimiento que funcionan como etalones Fabry-Perot . ^[1] Un etalón Fabry-Perot está en resonancia cuando la luz en la capa interfiere constructivamente consigo misma, lo que da como resultado una alta transmisión. La antirresonancia se produce cuando la luz en la capa interfiere destructivamente consigo misma, lo que da como resultado que no haya transmisión a través del etalón.

Los índices de refracción del núcleo guía (n _c ) y las capas de revestimiento (n _j , n _i ) son importantes y se eligen con cuidado. Para que se produzca antirresonancia, n _c debe ser menor que n _j . En un sistema típico de un núcleo sólido ARROW, como se muestra en la figura, la guía de ondas consta de un núcleo guía de bajo índice de refracción delimitado en la superficie superior por aire y en la superficie inferior por capas de revestimiento reflectantes antirresonantes de mayor índice de refracción. El confinamiento de la luz en la superficie superior del núcleo guía se proporciona mediante la reflexión interna total con aire, mientras que el confinamiento en la superficie inferior se proporciona mediante la interferencia creada por las capas de revestimiento antirresonantes.

El espesor de la capa de revestimiento antirresonante (t _j ) de un ARROW también debe elegirse con cuidado para lograr la antirresonancia. Se puede calcular con la siguiente fórmula:

${\displaystyle t_{j}={\lambda \over 4n_{j}}(2N-1)[1-{n_{c}^{2} \over n_{j}^{2}}+{\lambda ^{2} \over 4n_{j}^{2}t_{c}^{2}}]^{-1/2},N=1,2,3,...}$

${\displaystyle t_{j}}$= espesor de la capa de revestimiento antirresonante

${\displaystyle t_{c}}$= espesor de la capa central guía

${\displaystyle \lambda }$ = longitud de onda

${\displaystyle n_{j}}$= índice de refracción de la capa de revestimiento antirresonante

${\displaystyle n_{c}}$= índice de refracción de la capa central guía

mientras ${\displaystyle n_{j}>n_{c}>n_{air}}$

Consideraciones

Las ARROW se pueden realizar como guías de onda cilíndricas (confinamiento 2D) o como guías de onda en losa (confinamiento 1D). Estas últimas ARROW están formadas prácticamente por una capa de índice bajo, incrustada entre capas de índice más alto. Tenga en cuenta que los índices de refracción de estas ARROW están invertidos en comparación con las guías de onda habituales. La luz está confinada por la reflexión interna total (TIR) ​​en el interior de las capas de índice más alto, pero logra una gran superposición modal con el volumen central de índice más bajo.

Esta fuerte superposición puede hacerse plausible en una imagen simplificada imaginando "rayos", como en la óptica geométrica . Dichos rayos se refractan en un ángulo muy pequeño al entrar en la capa interna de bajo índice. Por lo tanto, se puede utilizar la metáfora de que estos rayos "permanecen mucho tiempo dentro" de la capa interna de bajo índice. Tenga en cuenta que esto es solo una metáfora y el poder explicativo de la óptica de rayos es muy limitado para las escalas micrométricas, en las que normalmente se hacen estas FLECHAS.

Aplicaciones

Las guías de onda ARROW se utilizan a menudo para guiar la luz en líquidos, en particular en sistemas analíticos fotónicos de laboratorio en un chip (PhLoC). ^{[2] [3] [4] [5]} Las guías de onda convencionales se basan en el principio de reflexión interna total, que solo puede ocurrir si el índice de refracción del material del núcleo guía es mayor que los índices de refracción de sus alrededores. Sin embargo, los materiales utilizados para hacer el núcleo guía son típicamente materiales a base de polímeros y silicio, que tienen índices de refracción más altos (n = 1,4-3,5) que el del agua (n = 1,33). Como resultado, una guía de onda de núcleo hueco convencional ya no funciona una vez que se llena con solución de agua, lo que hace que las PhLoC sean inútiles. Una ARROW, por otro lado, puede llenarse de líquido ya que confina la luz completamente por interferencia, lo que requiere que el índice de refracción del núcleo guía sea menor que el índice de refracción de los materiales circundantes. Por lo tanto, las ARROW se convierten en los bloques de construcción ideales para las PhLoC.

Aunque los ARROW presentan una gran ventaja sobre las guías de ondas convencionales para construir PhLoC, no son perfectos. El principal problema de los ARROW es su indeseable pérdida de luz. La pérdida de luz de los ARROW disminuye la relación señal/ruido de los PhLoC. Se han diseñado y probado diferentes versiones de ARROW para superar este problema. ^[6]

Véase también

• Guía de ondas (óptica)
• Fibra de cristal fotónico

Enlaces externos

• Calculadora de espesor de capa de guía de ondas ARROW

Referencias

1. Duguay, MA; Kokubun, Y.; Koch, TL; Pfeiffer, Loren (1986-07-07). "Guías de onda ópticas reflectantes antirresonantes en estructuras multicapa de SiO2‐Si". Applied Physics Letters . 49 (1): 13–15. Bibcode :1986ApPhL..49...13D. doi :10.1063/1.97085. hdl : 10131/8010 . ISSN  0003-6951. S2CID  123001099.
2. Kathleen, Bates E.; Lu, Hang (26 de abril de 2016). "Plataformas microfluídicas integradas en óptica para análisis biomoleculares". Revista biofísica . 110 (8): 1684–1697. Bibcode :2016BpJ...110.1684B. doi :10.1016/j.bpj.2016.03.018. PMC 4850344 . PMID  27119629. 
3. Schmidt, Holger; Yin, Dongliang; Deamer, David W.; Barber, John P.; Hawkins, Aaron R. (2 de agosto de 2004). Dobisz, Elizabeth A; Eldada, Louay A (eds.). "Guías de onda ARROW integradas para detección de gas/líquido". Nanoingeniería: fabricación, propiedades, óptica y dispositivos . 5515 : 67. Bibcode :2004SPIE.5515...67S. doi :10.1117/12.558946. S2CID  137407772.
4. Yin, D.; Schmidt, H.; Barber, JP; Hawkins, AR (14 de junio de 2004). "Guías de onda ARROW integradas con núcleos huecos". Optics Express . 12 (12): 2710–5. Bibcode :2004OExpr..12.2710Y. doi : 10.1364/OPEX.12.002710 . ISSN  1094-4087. PMID  19475112.
5. Cai, H.; Parks, JW; Wall, TA; Stott, MA; Stambaugh, A.; Alfson, K.; Griffiths, A.; Mathies, RA; Carrion, R. (25 de septiembre de 2015). "Sistema de análisis optofluídico para la detección directa y sin amplificación de la infección por ébola". Scientific Reports . 5 : 14494. Bibcode :2015NatSR...514494C. doi :10.1038/srep14494. ISSN  2045-2322. PMC 4585921 . PMID  26404403. 
6. Wall, Thomas A.; Chu, Roger P.; Parks, Joshua W.; Ozcelik, Damla; Schmidt, Holger; Hawkins, Aaron R. (1 de enero de 2016). "Mejora de la estabilidad ambiental para guías de ondas de SiO2 con deposición química en fase de vapor mejorada con plasma utilizando diseños de canal enterrado". Ingeniería óptica . 55 (4): 040501. Bibcode :2016OptEn..55d0501W. doi :10.1117/1.OE.55.4.040501. ISSN  0091-3286. PMC 5298888 . PMID  28190901.