Gestión de birrefringencia y dependencia térmica en espectómetros de transformada de Fourier integrados

Resumen

La espectrometría de transformada de Fourier es una de las técnicas de análisis espectral más utilizadas, con un amplio rango de aplicaciones desde el análisis de compuestos complejos y de sistemas dinámicos, la espectroscopía biológica y biomédica, o el análisis atmosférico y aeronáutico. Estos sistemas proporcionan una elevada calidad espectral y resolución, un elevado rendimiento óptico y bajos tiempos de cálculo. El auge de la óptica integrada ha impulsado la miniaturización de este tipo de espectrómetros, trasladando todo su potencial al tamaño de un chip. Con soluciones compactas de alta resolución, los microespectrómetros de transformada de Fourier presentan un potencial disruptivo en múltiples aplicaciones como microsatélites, microdrones, espectrómetros de mano, o sensado de gases en edificios y parkings inteligentes. Sin embargo, la integración fotónica los hace dependientes de las limitaciones inherentes a los procesos de fabricación. Así, modificaciones geométricas en las nanoguías producen errores de fase y amplitud que degradan la calidad de la recuperación espectral. Adicionalmente, las guías de onda, específicamente en la fotónica de silicio, son altamente dependientes de las condiciones ambientales, particularmente la temperatura. Los cambios de temperatura durante el proceso de funcionamiento producen cambios en las propiedades de las guías introduciendo errores de fase adicionales. Esta dependencia térmica produce limitaciones importantes en el funcionamiento del dispositivo en condiciones reales, para un cambio de temperatura de tan sólo 0.1 °C. Aunque existen soluciones en el estado del arte todas ellas conllevan o una fabricación más complicada y cara, o unos requerimientos computacionales mayores, siguiendo vigente la necesidad de una solución sencilla y aplicable a cualquier espectrómetro. Por otra parte, la integración fotónica del espectrómetro implica lidiar con la birrefringencia inherente a la plataforma utilizada, especialmente en plataformas con alto contraste de índice de refracción. Esta birrefringencia produce diferencias de funcionamiento según la polarización incidente, causando una degradación de las prestaciones del microespectrómetro en presencia de una polarización híbrida. Para abordar este problema se han propuesto numerosas soluciones, tanto basadas en la división de polarización, como en el desarrollo de diseños independientes de la polarización. No obstante, dichas soluciones todavía tienen limitaciones en términos de ancho de banda, tamaño y, especialmente, dificultad de integración en métodos litográficos compatibles con fabricación en masa. En el presente trabajo se abordan ambos problemas, presentando soluciones para la gestión de la birrefringencia y la dependencia térmica de microespectrómetros de transformada de Fourier integrados en guías de onda de silicio sobre aislante. Más específicamente, se proponen dos soluciones software para la compensación y mitigación de la dependencia térmica en cualquier microespectrómetro, incluso los ya fabricados, basadas respectivamente en calibraciones matriciales y aprendizaje máquina. Ambas técnicas se han demostrado experimentalmente, permitiendo incluso el uso de microespectrómetros de muy alta resolución (17 pm), previamente inoperables debido a su dependencia térmica. Asimismo, se propone una novedosa técnica de ingeniería de birrefringencia en guías de silicio basada en metamateriales sublongitud de onda rotados. En este trabajo se aplica por primera vez esta técnica al diseño de bloques funcionales de altas prestaciones para el control de la polarización, incluyendo un divisor de polarización, cuya demostración experimental muestra pérdidas de inserción de 1 dB y ratios de extinción superiores a 13 dB en un ancho de banda de 120 nm; y una guía de onda independiente de la polarización con una birrefringencia por debajo de 6.10-3 en un ancho de banda de 100 nm, siendo además resistente a errores de fabricación de hasta 10 nm.