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La fotónica de silicio se ha consolidado como una tecnología líder para el desarrollo de circuitos fotónicos integrados, aprovechando las tecnologías de fabricación ya existentes de la industria microelectrónica. Esta compatibilidad permite la fabricación rentable y a gran escala de circuitos fotónicos de alta densidad.

Los divisores de potencia son componentes clave en los circuitos fotónicos, necesarios para distribuir y enrutar señales ópticas de manera eficiente dentro de un chip. Sin embargo, los divisores actuales se enfrentan todavía a desafíos como la limitación del ancho de banda en el que pueden trabajar, las pérdidas ópticas de señal y la sensibilidad a los errores de fabricación. En este trabajo, el equipo investigador ha superado los límites de los divisores de potencia actuales desarrollando una nueva arquitectura basada en una unión Y simétrica asistida por metamateriales sublongitud de onda. Este nuevo diseño no solo permite la operación multimodo y de doble polarización con pérdidas mínimas en un ancho de banda récord, sino que también mejora la robustez frente a imperfecciones de fabricación. Estas prestaciones lo lo convierten en un componente clave para aplicaciones fotónicas que requieren alta precisión, bajas pérdidas y un amplio espectro de operación.

En este estudio, los investigadores diseñaron y fabricaron un divisor de potencia de 3 dB para la plataforma de silicio sobre aislante (SOI). El dispositivo se basa en una unión Y simétrica que fue optimizada mediante la inclusión de metamateriales sublongitud de onda (SWG) con dos geometrías diferentes. Estos metamateriales SWG están formadas por estructuras periódicas nanométricas que permiten controlar con precisión la propagación de la luz a través de ellas. Utilizando simulaciones tridimensionales, el equipo ajustó la geometría de los metamateriales SWG para minimizar las pérdidas ópticas y maximizar el ancho de banda operativo, cubriendo el rango de longitudes de onda de 1300 a 2000 nm.

Posteriormente, se fabricaron los dispositivos y se validaron experimentalmente sus propiedades ópticas. Las mediciones demostraron que el divisor mantiene bajas pérdidas (<0,2 dB) no solo en los modos transversal eléctrico fundamental (TE0) y de primer orden (TE1), sino también en el modo fundamental de polarización transversal magnética (TM0) en un amplio rango espectral. Además, incluso considerando variaciones en la fabricación de hasta ±10 nm, el dispositivo propuesto demuestra la robustez y la consistencia de su alto rendimiento.

Metamateriales de redes sublongitud de onda

Los metamateriales de redes sublongitud de onda se componen de distribuciones periódicas de estructuras con un espaciado mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz que se propaga por ellas. Con estas nanoestructuras sublongitud de onda se consigue que la luz se propague por la red como si fuera un nuevo material homogéneo (lo que se conoce como metamaterial), con la ventaja de que sus propiedades ópticas pueden ajustarse a voluntad.

Artículo: Raquel Fernández de Cabo, David González Andrade, Pavel Cheben, Aitor V. Velasco “Extending the spectral operation of multimode and polarization-independent power splitters through subwavelength nanotechnology”. Optics & Laser Technology. Volume 181, Part B, February 2025, 111921

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