Una guía de ondas de ranura es una guía de ondas óptica que guía la luz fuertemente confinada en una región de bajo índice de refracción a escala de sublongitud de onda mediante reflexión interna total .
Una guía de ondas de ranura consta de dos tiras o placas de materiales de alto índice de refracción (n H ) separadas por una región de ranura de bajo índice de refracción (n S ) a escala de sublongitud de onda y rodeadas por materiales de revestimiento de bajo índice de refracción (n C ).
El principio de funcionamiento de una guía de ondas de ranura se basa en la discontinuidad del campo eléctrico (campo E) en las interfaces de alto contraste de índice de refracción. Las ecuaciones de Maxwell establecen que, para satisfacer la continuidad del componente normal del campo de desplazamiento eléctrico D en una interfaz, el campo E correspondiente debe sufrir una discontinuidad con mayor amplitud en el lado de bajo índice de refracción. Es decir, en una interfaz entre dos regiones de constantes dieléctricas ε S y ε H , respectivamente:
donde el superíndice N indica los 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 placas 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 índice-contraste se mejora en la ranura y permanece alto a lo largo 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 involucrado y la estructura de la ranura exhibe una sensibilidad de longitud de onda muy baja. [1]
La guía de onda de ranura nació en 2003 como un resultado inesperado de los estudios teóricos sobre modulación electroóptica de semiconductores de óxido de metal ( MOS) en guías de onda fotónicas de silicio de alto confinamiento realizados por Vilson Rosa de Almeida y Carlos Angulo Barrios, entonces estudiante de doctorado y asociado postdoctoral, respectivamente, en la Universidad de Cornell . En 2004, los investigadores de Cornell informaron sobre el análisis teórico [1] y la demostración experimental [2] de la primera guía de onda de ranura implementada en el sistema de material Si/SiO 2 a una longitud de onda de operación de 1,55 μm.
Desde estos trabajos pioneros, se han propuesto y demostrado varias configuraciones de ondas guiadas basadas en el concepto de guía de ondas de ranura. Algunos ejemplos relevantes son los siguientes:
En 2005, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts propusieron utilizar regiones de múltiples ranuras en la misma estructura de onda guiada (guía de onda de múltiples ranuras) para aumentar el campo óptico en las regiones de bajo índice de refracción. [3] La demostración experimental de dicha guía de onda de múltiples ranuras en una configuración horizontal se publicó por primera vez en 2007. [4]
En 2006, los investigadores de la Universidad RWTH de Aachen extendieron el enfoque de la guía de ondas de ranura a la banda de frecuencia de terahercios . [5] Los investigadores del Instituto de Tecnología de California también demostraron que una guía de ondas de ranura, en combinación con polímeros electroópticos no lineales, podría usarse para construir moduladores de anillo con una capacidad de ajuste excepcionalmente alta. [6] Más tarde, este mismo principio permitió a Baehr-Jones et al. demostrar un modulador de 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 de ranura . Demostraron la concentración de energía óptica dentro de un orificio de aire de escala sublongitud de onda que recorre la longitud de una fibra de cristal fotónico . [9]
Recientemente, en 2016, se demostró [10] que las ranuras en un par de guías de ondas, si se desplazan unas respecto de otras, pueden mejorar el coeficiente de acoplamiento incluso más del 100 % si se optimizan adecuadamente, y por lo tanto, la longitud de acoplamiento de potencia efectiva entre las guías de ondas se puede reducir significativamente. También se demostró numéricamente un divisor de haz de polarización asistido por ranura híbrida (que tiene una ranura vertical en una guía de ondas y una ranura horizontal en la otra). Aunque las pérdidas son altas para tales estructuras de ranura, este esquema que explota las ranuras asimétricas puede tener potencial para diseñar acopladores direccionales ópticos muy compactos y divisores de haz de polarización para dispositivos ópticos integrados en chip.
La curvatura de la guía de ondas de ranura es otra estructura esencial para el diseño de la guía de ondas de varios dispositivos micro y nanoópticos integrados. Uno de los beneficios de las curvaturas de la guía de ondas es la reducción del tamaño de la huella del dispositivo. Existen dos enfoques basados en la similitud del ancho de los rieles de Si para formar la curvatura pronunciada en la guía de ondas de ranura, que son las guías de ondas de ranura simétricas y asimétricas. [11]
Se han fabricado guías de ondas de ranura plana 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 de micro y nanofabricación convencionales. Estas herramientas de procesamiento incluyen litografía por haz de electrones , fotolitografía , deposición química en fase de vapor [generalmente deposición química en fase de vapor a baja presión (LPCVD) o deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD)], oxidación térmica , grabado de iones reactivos y haz de iones enfocado .
En las guías de ondas de ranura verticales, el ancho de las ranuras y las tiras se define mediante técnicas de fotolitografía o litografía electrónica y grabado en seco, mientras que en las guías de ondas de ranura horizontales, el espesor de las ranuras y las tiras se define mediante una técnica de deposición de película fina u oxidación térmica. La deposición de película fina u oxidación proporciona un mejor control de las dimensiones de las capas e interfaces más suaves entre los materiales de alto índice de contraste que las técnicas de litografía y grabado en seco. Esto hace que las guías de ondas de ranura horizontales sean menos sensibles a las pérdidas ópticas por dispersión debido a la rugosidad de la interfaz que las configuraciones verticales.
También se ha demostrado la fabricación de una configuración de guía de ondas de ranura no plana (basada en fibra) mediante tecnología de fibra óptica microestructurada convencional . [9]
Una guía de onda de ranura produce una amplitud de campo E alta, 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 una 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 en primer lugar en [1], la guía de onda de ranura se puede utilizar para aumentar en gran medida la sensibilidad de los dispositivos de detección óptica compactos [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] o para mejorar la eficiencia de las sondas ópticas de campo cercano . A frecuencias de terahercios, se ha diseñado un divisor basado en guía de onda de ranura que permite la propagación de ondas de terahercios con baja pérdida. 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]