Espectrómetro de transformada de Fourier para infrarrojo medio basado en guías de ondas de silicio suspendidas con revestimiento lateral de metamaterial
¿Sabes cómo funciona un microespectrómetro? Conoce más sobre ellos y sus aplicaciones en el artículo de este nuevo espectrómetro de transformada de Fourier basado en guías de ondas suspendidas.
Qué es un espectrómetro óptico
Un espectrómetro óptico es un instrumento de medición que analiza el espectro (composición frecuencial) de la luz que emite una fuente o que es absorbida por una sustancia. Estos espectros de emisión o de absorción son como una huella dactilar que nos permite identificar los componentes que forman la muestra a estudiar.
Aplicaciones
Los espectrómetros ópticos se utilizan en diversas aplicaciones, como la detección en seguridad alimentaria, el diagnóstico médico, el control de la calidad del aire interior, la ciencia astrofísica y la búsqueda de recursos naturales.
Además de la luz visible, se puede estudiar el espectro más allá de lo que nosotros vemos, como el infrarrojo. El infrarrojo medio (IR medio, longitudes de onda de 2–20 µm) es un rango de longitud de onda particularmente interesante para aplicaciones espectroscópicas, ya que contiene las huellas de absorción de muchas sustancias químicas y biológicas de interés hoy en día. Aplicaciones emergentes como exploración planetaria o vigilancia ambiental requieren el desarrollo de una nueva generación de espectrómetros integrados en circuitos, que brinden monitorización en tiempo real y alta sensibilidad con una tecnología miniaturizada y de bajo costo.
La investigación
En este trabajo, un equipo internacional con participación del Instituto de Óptica, ha creado un espectrómetro de transformada de Fourier espacialmente heterodino (sin elementos móviles) que opera en el infrarrojo medio y que está fabricado a base de guías de onda de silicio suspendidas en el aire gracias a un revestimiento lateral de metamaterial sublongitud de onda. El dispositivo que consigue eludir de manera efectiva las limitaciones que tienen en el infrarrojo los espectrógrafos ordinarios construidos en circuitos integrados, al permitir la eliminación de la capa de óxido que necesitan otros diseños de espectrógrafos integrados.
Tecnología de fabricación de Silicio en aislante
Silicon-on-insulator (SOI) es una popular plataforma para circuitos electrónicos integrados que se puede aprovechar para fabricar en serie circuitos fotónicos ultra compactos de bajo costo.
Sin embargo, el uso de SOI en el infrarrojo medio hasta ahora no se podía usar por la fuertes pérdidas de señal que sufre para longitudes de onda superiores a 4 µm por la absorción de la capa de óxido utilizada como base.
Espectrómetros de transformada de Fourier
Los espectrómetros de transformada de Fourier (FT) se componen de uno o más interferómetros que dividen la luz en dos haces de luz. A uno de los haces se le aplica una pequeña variación en la longitud su camino óptico, de forma que, al volver a combinarse, los dos haces se suman formando un interferograma en función de la diferencia de camino óptico de los brazos del interferómetro.
El espectro de la luz inicial de entrada se obtiene mediante técnicas computacionales, proporcionando así información sobre la composición molecular de la muestra.
De esta forma se consigue una mayor resolución y también una mayor sensibilidad que con otras técnicas espectrométricas.
Metamateriales
Los metamateriales sublongitud de onda (subwavelength gratings) son una potente herramienta para el diseño de dispositivos fotónicos al permitir diseñar el índice de refracción y la dispersión de las guías de onda. En este trabajo, el metamaterial sublongitud de onda sirve además de soporte lateral de las guías suspendidas, y produce un índice de refracción efectivo más bajo que el silicio, lo que permite el confinamiento de la luz dentro del núcleo de la guía de ondas.
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