En este trabajo, se ha diseñado y probado experimentalmente un nuevo divisor de haz de luz para chips fotónicos de silicio con altas prestaciones, incorporando un metamaterial de sublongitud de onda en una unión en Y simétrica.

Este nuevo componente óptico tiene hasta 8 veces menos pérdidas que los divisores convencionales (0,99dB frente a 0,12dB), es más fácil de fabricar al ser tolerante a pequeños defectos de fabricación y su producción es de bajo coste. Estos tres aspectos son fundamentales para conseguir que las nuevas tecnologías sean accesibles al público general.

El novedoso dispositivo presenta tolerancias de fabricación robustas para desviaciones de grabado de hasta ± 20 nm. Se fabricó un dispositivo de prueba de concepto, que muestra pérdidas de potencia experimentales inferiores a 0,2 dB en un ancho de banda de 195 nm para procesos de fabricación con alta calidad (en nuestro caso una resolución de fabricación de 50nm).

Un decibelio (dB) es una unidad que se puede utilizar para expresar las diferencias relativas en la potencia de una señal.

La división de potencia eficiente es una operación fundamental en los circuitos integrados fotónicos de silicio, pero las arquitecturas de división de potencia de última generación ven su desarrollo obstaculizado por trabajar bien solo en algunas longitudes de onda, por tener alta sensibilidad a errores de fabricación o por ser demasiado grandes.
En particular, los divisores de potencia de unión en Y tradicionales sufren pérdidas debido a que son muy sensibles a los pequeños defectos de fabricación cerca de la punta de unión. Para eludir esta limitación, proponemos un nuevo tipo de divisor de potencia de unión en Y de alto rendimiento que incorpora metamateriales de sublongitud de onda.

La plataforma fotónica integrada de silicio sobre aislante (SOI) se ha explotado con éxito en una amplia variedad de campos, en sistemas de telecomunicaciones y comunicación de datos, sensores bioquímicos, y muchas otras. La expansión hacia estos diversos campos de aplicación ha sido posible gracias a los beneficios inherentes de la plataforma SOI, incluidas las buenas propiedades ópticas del silicio sobre aislante y la producción en masa de bajo costo proporcionada porque esta tecnología ya se usa para fabricar los dispositivos electrónicos actuales.
Por el contrario, estos dispositivos SOI tienen una alta sensibilidad a las desviaciones en la fabricación. Esta restricción también está presente en los componentes de división de potencia, una funcionalidad fundamental en la mayoría de los circuitos integrados silicio-fotónicos.

Metamateriales de sublongitud de onda

Los metamateriales de rejilla de sublongitud de onda (SWG), desde su primera aplicación en guías de ondas de silicio, se han utilizado ventajosamente como una poderosa herramienta para superar las limitaciones de rendimiento de los dispositivos fotónicos integrados convencionales basados en silicio.
Se componen de distintos materiales dieléctricos dispuestos formando una rejilla, con un período (Λ) sustancialmente menor que la longitud de onda (λ) de la luz que se propaga. Bajo esta condición, el medio se comporta como un metamaterial homogéneo que combina las propiedades ópticas de sus constituyentes dieléctricos (por ejemplo, índice efectivo, dispersión, anisotropía), permitiendo así la personalización de la respuesta óptica del metamaterial a través de su diseño geométrico. Esta innovadora solución se ha aplicado con éxito a muchas otras tecnologías.
Específicamente, los metamateriales de longitud de sub-onda se han aplicado a diferentes arquitecturas de división de potencia como acopladores direccionales, proporcionando dispositivos compactos con un rendimiento mejorado en un ancho de banda amplio.

Enlace al artículo completo

El trabajo es una colaboración entre el Instituto de Óptica y el National Research Council de Canada