Metamateriales sub-longitud de onda para microdispositivos fotónicos de altas prestaciones.//subwalength metamaterials for high-performance photonic microdevices

Resumen

La fotónica ha adquirido una importancia fundamental en muchos ámbitos de nuestra vida cotidiana debido a su potencial intrínseco para desarrollar soluciones no sólo en el campo de las telecomunicaciones y las interconexiones de corto alcance, sino también en otras muchas áreas como la metrología, la generación de energía, la espectrometría, la detección, la medicina y la fabricación industrial. En particular, la óptica integrada ha atraído tanto la atención de la industria como los esfuerzos científicos para implementar circuitos fotónicos integrados capaces de abordar todas las tareas mencionadas anteriormente en sistemas compactos y eficientes. Entre todos los materiales disponibles, la fotónica de silicio aprovecha la madurez de las técnicas de fabricación alcanzadas por la industria de la microelectrónica, permitiendo una producción en masa rentable. Para maximizar su densidad de integración y poder realizar funciones más complejas en un único chip, diferentes plataformas materiales con un alto contraste de índice de refracción se han propuesto, como por ejemplo las plataformas de silicio sobre aislante y de nitruro de silicio. El progreso de la fotónica de silicio comprende muchas aplicaciones como las interconexiones ópticas, la espectroscopía de absorción y biodetección, la computación cuántica y la fotónica de microondas y terahercios. Sin embargo, el rendimiento de cualquiera de estas aplicaciones está determinado por dos factores: su diseño de alto nivel, que es específico para cada aplicación; y el rendimiento de sus componentes, que suele ser común a todas las aplicaciones, ya que comparten bloques fundamentales. Los componentes estándar que se encuentran disponibles en los kits de diseño fotónico presentan a menudo prestaciones limitadas (en ancho de banda, pérdidas, diafonía, etc.), dificultando el acceso de los diseñadores de aplicaciones finales a esta tecnología. Dichas limitaciones se deben principalmente al alto contraste de índice, la alta birrefringencia y la elevada dependencia térmica de las guías de ondas de silicio, así como a las restricciones de fabricación. Así, en esta tesis se expone el desarrollo de dispositivos fotónicos con altas prestaciones y buenas tolerancias de fabricación para la próxima generación de circuitos fotónicos integrados implementados en las plataformas de silicio sobre aislante y nitruro de silicio. Para superar las limitaciones inherentes planteadas por la plataforma material, se han propuesto y demostrado experimentalmente dispositivos originales y novedosos basados en estructuras de escala nanométrica, incluyendo metamateriales de rejillas sub-longitud de onda y guías de onda de ranura. En concreto, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un convertidor y multiplexor de modos compacto y de banda ancha implementado con guías de onda de rejillas sub-longitud de onda. Las extraordinarias virtudes de las guías de ondas metamateriales de rejillas sub-longitud de onda también se han aprovechado para mejorar sustancialmente el rendimiento y las tolerancias de fabricación de desfasadores pasivos. Por último, Una estrategia de diseño novedosa ha sido propuesta para la implementación de divisores de haz de alto rendimiento basados en ingeniería modal y de simetría en una guía de onda de ranura. El divisor de haz propuesto se fabricó en las plataformas de silico sobre aislante y nitruro de silicio, mostrando en ambos casos una división de potencia equitativa en los puertos de salida, independientemente de la polarización para un rango de longitudes de onda de al menos 390 nm.