Sin título de diapositiva · Departamento de Física de Materiales ... Elementos y dispositivos de...

GinGinéés Lifante Pedrolas Lifante Pedrola

Departamento de Física de MaterialesFacultad de Ciencias

Universidad Autónoma de Madrid

Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011

Esquema de la exposición

¿Por qué luz?

Fotónica Integrada: guías ópticas

Elementos y dispositivos de fotónica integrada- Pasivos (divisores de haz, demultiplexores)- Funcionales (moduladores, sensores)

Alta frecuencia: 1014 - 1012 Hz (VIS-IR)(Radiofrecuencias ~100 MHz)

fluz ∼ 106 fRF

Alta capacidad de transmisión

Propagación de un haz

¿Se perturba por otro?

Inmunidad a radiación EM

Hitos históricos

Invención del láser(Maiman, 1960)

Desarrollo de dispositivossemiconductores

Fabricación de fibras ópticas con bajas pérdidasGinés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011

Evolución de la transparencia de los vidrios

106Antiguo Egipto

VeneciaBohemia

CVDTécnicas

19991990190010000-4000

Límite teóricoAte

AtenuaciónDispersión

1.3-1.5 µm

¿Qué longitud deonda utilizar?

Concepto de Fotónica Integrada

Idea: Utilizar fotones en lugar de electrones como portadores de información/procesado.

¿Cómo? Integrar todos los elementos fotónicos en un mismo substrato.

Fabricar guías de onda que confinen la luz por reflexión total interna, conectando los distintos elementos.

Chip óptico

Ley de Snell de la refracción (Ibn Sahl, siglo XIII)

θ1 Medio 1

Medio 2

n2 θ2

vcn /≡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

12 θθ sen

nnsen2211 θθ sennsenn =

Si n1 < n2 Siempre hay rayo transmitido

Ley de Snell de la refracciónθ1 Medio 1

Medio 2

n2 θ2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

12 θθ sen

121 / nnsen >θSi n2 < n1 Puede que:

!!!1¡¡¡ 2 >θsen No existe rayo transmitido(Reflexión total interna)

Guiado de luz: reflexión total interna

Recubrimiento

Lámina

Substrato

Radiación confinadaθ > θcs, θcr

nf>ns>nrθcs= asen(ns/nf) θcr= asen(nr/nf)

Guiado de luz: reflexión total interna

Radiación EMd∼λ ¿Rayos? ¡NO!

Modo: reflexión total interna + interferencia constructiva

Recubrimiento

Lámina (guía)

Substrato Campo evanescente

Propagación

Guías acanaladas

Distribución deintensidad modalGuía acanalada monomodo

Idóneas para fabricar dispositivos fotónicos integrados

Entrada Salida

Interconexión

Salidas

Divisor de hazEntrada

Unión en Y

Guías curvas, uniones en Y

Y_Branch_02.PPT

Radio de curvatura:

R = 1000 µm

R = 100 µm

0 100 200 300 400 50010-1

100R = 600 µm

R = 400 µm

R = 500 µm

R = 300 µm

Bending_Losses_04.OPJ

∆x = 0.05 µmLx = 51.2 µm∆z = 0.5 µmLz = 1000 µm ns = 1.85

∆n = 0.02W = 1.5 µmλ = 1 µmStep-index waveguide

Propagation distance (µm)

Splitters: “Multimode Interference Device”(MMI)

GapnMMI

Divisor de potencia 1:3 (MMI)

Acopladores por campo evanescente

Separador de polarizaciones

TE, TM

λ = 1.5 µm

S = 1 µm

nc = 1.3

nI = 1.5

Lc = 181 µm

nII = 1.5

WI = 0.5 µm

WII = 0.5 µm

Pol_Beam_Splitter_02.PPTTE, TM

λ = 1.5 µm

S = 1 µm

nc = 1.3

nI = 1.5

Lc = 181 µm

nII = 1.5

WI = 0.5 µm

WII = 0.5 µm

Pol_Beam_Splitter_02.PPT

Filtros de longitud de onda

λ1 = 0.83 µm

λ2 = 1.0 µm

S = 1.7 µm

nc = 1.4500

nI = 1.5005

L = 530 µm

nII = 1.4900

WI = 1 µm

WII = 1.6 µm

WL_Filter_02.PPTλ1 = 0.83 µm

λ2 = 1.0 µm

S = 1.7 µm

nc = 1.4500

nI = 1.5005

L = 530 µm

nII = 1.4900

WI = 1 µm

WII = 1.6 µm

WL_Filter_02.PPT

Bombeo para amplificadores ópticos

Señal de 1533 nmamplificadaGuía impurificada con Er3+/Yb3+

Substrato de vidrio

Acoplador

Bombeo a 980 nm

Señal a 1533 nm

Demultiplexor de longitud de onda(AWG o PHASAR)

λ1.... λn

Guías de entrada Guías de salida

Guías curvas

Acoplador en estrella

Input Star (entrada)

Output Star (salida) λ = 1.5415 µm

Output Star (salida) λ = 1.5449 µm

1.535 1.540 1.545 1.550 1.555 1.560 1.5651E-5

Channel #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

Wavelength (µm)

Arrayed waveguides

Output starcoupler

Inputwaveguide

Input starcoupler

Output waveguides

Arrayed waveguides

Output starcoupler

Inputwaveguide

Input starcoupler

Output waveguides

Modulador de fase

Entrada Salida

Modulador de intensidad

Entrada Salida

Interferómetro Mach-Zehnder

Modulador de fase EO

Modulador de fase en guía V

)(),( 0 ϕω +−= kxtsenEtxE

nL∆=∆λπϕ 2

Modulador EO basado en interferómetros Mach-Zehnder

IN OUT

inout PP )cos1(21 ϕ∆+=

IN OUT

inout PP )cos1(21 ϕ∆+=

∆ϕ=0

POUT = PIN

∆ϕ=π

POUT = 0

LT = 20.0 mmLin = 3.1 mmLY = 1.4 mmL = 11.0 mm

R = 20.5 mmθ = 2ºZ = 50 µmw = 2 µm

Lin LY LinLYL

Ramas paralelasGuía

desalida

Guíade

entrada

Unión en YUnión en Y

Lel = 10.0 mm

g = 22 µm

W = 28 µm

····33

3 rngLV

λπ Vπ ∼ 10 VFigura de mérito:

Electrodos de aluminioTécnicas fotolitográficasDepósito por sputtering

Motivos de alineamiento

ElectrodosPistas de conexión

Guía de onda

Hilos de contacto

Chip óptico

Input f ∼ 1 Hz

Zócalo

Lámina transductoraopto-química Campo evanescente

Recubrimiento

effnL∆λπϕ∆ 2

=Guía

Substrato

Longitud de interacción

Dispositivos biosensores basados en IMZ

Rama sensora

Rama de referencia

Región sensoraSilicio

Lámina sensora

IN OUT

5.9 µm

LOOM: “Low Optical Overlap Modes”Modos con un bajo confinamiento (1%) del campo EM dentro del material.

Límite de sensibilidad: Conventional EW sensor reaches sensitivity limit (5%)at concentration of 98 ppm. LOOM sensor reaches limit

at 10 ppb!

Giróscopo óptico basado en fibras ópticas (I-FOG)

Laser 2x2

PD PD Electrónica

Bobina de fibra

Chip óptico

Sensibilidad:100 a 1 deg/h (Boeing 777)<0.01 deg/h para aplicaciones especiales

Epítome

- Dispositivos fotónicos: basados en guías de onda.

- Compactos, ligeros y aptos producción en masa.

- Demostrados una amplia variedad de dispositivos.

- Aplicaciones en comunicaciones ópticas/sensores.

¡Gracias por laatención prestada!

Emisor RGB

CW Láser

Modulador EO

Modulador AO

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 40.0

Plasmon_Theo_Exp_02.OPJ

Theory Experiment

Incident angle (deg)

Biosensor Plasmónico

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