ES2924851T3 - Espectrómetro de guía de ondas para realizar el escaneo de interferograma integrado - Google Patents
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Abstract
La invención divulgada consiste en un espectrómetro de guía de ondas (1), que comprende al menos una capa de sustrato (10) con al menos una guía de ondas de superficie (11), cada guía de ondas (11) se extiende desde una cara de entrada (12) y está configurada para guiar la luz recibida, al menos un muestreador de campo evanescente en la guía de ondas (11), configurado para desacoplar la luz a lo largo de la guía de ondas (11), al menos una unidad de detección de luz configurada para detectar la luz desacoplada, cada una conectada eléctricamente a un sistema electrónico de lectura, y un medio para lograr señales ópticas que se propagan en sentido contrario dentro de la guía de ondas (11) configurado para obtener interferencia entre las señales ópticas que se propagan en sentido contrario generando un patrón de interferencia a lo largo de la guía de ondas (11), mientras que el espectrómetro de guía de ondas (1) debe tener una construcción compacta y simple mientras mejora el rango espectral/ancho de banda del espectrómetro. Esto se logra porque el espectrómetro de guía de ondas (1) comprende al menos un modulador integrado en la estructura de guía de ondas de muestreo configurado para permitir el acondicionamiento de las señales ópticas guiadas y configurado para cambiar el índice de refracción, donde dicho al menos un modulador integrado se realiza mediante electrodos. (30; 30') colocado a un lado directamente contiguo al núcleo guía resp. guía de ondas (11) que genera un cambio de fase óptico requerido para escanear el interferograma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Espectrómetro de guía de ondas para realizar el escaneo de interferograma integrado
Campo técnico
La presente invención se refiere a un espectrómetro de guía de ondas para llevar a cabo una técnica de escaneo de interferograma integrado y método para fabricar el espectrómetro de guía de ondas.
Estado de la Técnica
La espectroscopia es un enfoque de análisis físico general para investigar las interacciones luz-materia. Las tendencias actuales en la generación actual de espectrómetros de imágenes están evidenciando una trayectoria de bifurcación; por un lado, con el creciente interés en las regiones espectrales dedicadas para generar productos específicos; y por otro lado, con el creciente interés en grandes regiones espectrales para fines científicos generales avanzados. Se destaca el esfuerzo de desarrollo de nueva generación de instrumentos, que satisface la mayor demanda en precisión. Se espera que los próximos sistemas tengan una mayor cobertura de tiempo, una resolución espacial más refinada y un mejor rendimiento radiométrico. Además, la miniaturización de los sistemas tiene una gran demanda para todas las aplicaciones en las que la masa, el volumen y la energía consumida son factores determinantes de los costes o de la capacidad de la aplicación. La miniaturización de los sistemas de espectrómetros es un hito previsto para los próximos 10 a 15 años, reduciendo los costes de la misión/proyecto, maximizando los costes recurrentes y permitiendo la integración en microsatélites para misiones estratégicas. Para aplicaciones espaciales, un espectrómetro integrado compacto tiene un impacto directo en la carga útil del instrumento. Además, los sistemas integrados monolíticos reducirán los requisitos de alineación durante la integración y mejorarán la estabilidad durante la vida útil del instrumento.
Ya existe espectroscopia de UV a IR con diversos y numerosos instrumentos. Las aplicaciones están dominadas en muchos campos por instrumentos detectores de un solo píxel. Por otro lado, los espectrómetros de imágenes con bandas contiguas y resolución espectral estrecha (también denominados comercialmente como "generadores de imágenes hiperespectrales") se utilizan específicamente con el fin de medir el contenido espectral de la radiación recopilada, cubriendo el aspecto de imagen de la medición espectral. La tecnología dominante para los espectrómetros de imágenes que cubren el rango espectral entre UV y SWIR por el momento son los instrumentos dispersivos en modo push-broom, los sistemas imágenes FTS están operativos comercialmente principalmente en la región IR y se espera que la primera instrumentación espacial (instrumento MTG-IRS) estarán operativos para 2018. Sin embargo, es importante mencionar que todos estos instrumentos, a pesar de sus altas capacidades, son bastante grandes y generan grandes masas. Por ejemplo, los espectrómetros de imágenes destinados a rangos espectrales muy amplios son mejores en términos de precisión, si están diseñados en base a sistemas de espejo. Esto, a su vez, conduce a sistemas grandes, muy pesados, complejos y costosos.
La investigación sobre dispositivos espectrométricos miniaturizados es, en realidad, un esfuerzo mundial, cubierto por una serie de enfoques diferentes con estudios en curso en diferentes instituciones de investigación. Un equipo Goddard de la NASA, por ejemplo, está trabajando para demostrar que un espectrómetro en un chip en miniatura que, al igual que el espectrómetro infrarrojo compuesto (CIRS) a borde de la misión Cassini 1997, sería sensible a las bandas del infrarrojo medio (L. Keesey, "Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Md." 2012). El dispositivo potencial es una versión muy reducida de un FTS de tipo Michelson que se normalmente se utiliza para estudiar los espectros de planetas y estrellas e identificar su composición química y otras propiedades físicas. Para dar una idea de lo compacto de la nueva generación de FTS, basta decir que el CIRS a bordo de la sonda Cassini es del tamaño de un lavavajillas, a pesar de que es potente y tiene valiosos descubrimientos. Sin embargo, el dispositivo expuesto bajo estudio en NASA Goddard sería capaz de medir solo un píxel y su concepto no puede ser actualizado para evolucionar a un espectrómetro de imágenes.
En la Universidad Técnica de Delft, los científicos han investigado configuraciones de espectrómetros compactos basados en un principio dispersivo, que funcionan en el rango VIS NIR y se basan en una sola oblea de vidrio recubierta de aluminio. Están actuando como espectrómetros de barrido pero limitados con respecto a las demandas del mercado, resolución espectral limitada (Semen Grabarnik, Arvin Emadi, Huaiwen Wu, Ger de Graaf y Reinoud F. Wolffenbuttel, "High-resolution microspectrometer with an aberration-correcting planar grating", Appl. Optar. 47, 6442 6447 (2008)).
Empresas como Imec (Heverlee, Bélgica) comenzaron a comercializar un espectrómetro de imágenes instantáneas caracterizado por matrices de filtros Fabry Perot frente a los píxeles de un sensor de imágenes. Se caracterizan por un FWHM espectral bastante grande (en el rango de 5 a 15 nm). Además, este método solo es aplicable a espectrómetros de barrido y a espectrómetros de instantáneas que aplican técnicas de procesamiento para reconstruir artificialmente el espectro de cada píxel y actualmente se limita a aplicaciones VIS NIR.
En 1891, en la Académie des Sciences de París, Gabriel Lippmann presentó una hermosa fotografía en color del espectro del Sol, obtenida con su nueva placa fotográfica. Más tarde, en 1894, publicó un artículo sobre cómo su placa era capaz de registrar información de color en la profundidad de la gelatina fotográfica sin grano. También explicó cómo la misma placa, después del procesamiento (revelado), podría restaurar la imagen de color original simplemente
a través del reflejo de la luz. Por lo tanto, fue el inventor de la verdadera fotografía en color interferencia! y recibió el Premio Nobel en 1908 por este avance. Desafortunadamente, este principio era demasiado complejo para su utilización. El método fue abandonado unos años después de su descubrimiento, a pesar de la considerable inversión de los hermanos Lumiere.
Un aspecto del concepto de Lippmann, que fue ignorado durante mucho tiempo, está relacionado con las aplicaciones espectroscópicas. En el contexto de hacer posible las posibilidades de la micro y nanotecnología y de la miniaturización de los equipos espectroscópicos, hoy en día es de interés revisar el concepto de Lippmann. A principios de 1933, Ives propuso utilizar un dispositivo fotoeléctrico para sondear ondas estacionarias para realizar mediciones espectrométricas (H.E. Ives, "Standing light waves, repetition of an experiment by Wiener, using a photoelectric probe surface.,", J. Opt. Soc. Am., vol. 23, págs. 73-83, 1933).
Más recientemente, en 1995, Connes propuso utilizar la nueva tecnología emergente de detectores para espectrometría tridimensional basada en Lippmann (P. Connes y E. Le Coarer, "3-D spectroscopy: The historical and logical viewpoint" , IAU Colloquium, vol. 149, págs. 38-49, 1994). Después de esto, Knipp et al. informaron sobre una primera realización de un espectrómetro muy compacto basado en un MOEMS, en 2005, pero tenía una resolución espectral muy limitada. Partiendo del mismo concepto, pero aprovechando la fotónica y la óptica de campo cercano, Le Coarer et al. introdujeron en 2007 una especie de espectrometría de transformada de Fourier integrada de onda estacionaria (SWIFTS) (E. Le Coarer, "Wavelength-scale stationary-wave integrated Fourier-transform spectrometry", Nature Photonics 1.8, págs. 473-478, 2007), en el que se logra el muestreo directo de ondas estacionarias evanescentes utilizando una colección de nanosondas ópticas de acuerdo con (E. Le Coarer, "SWIFTS: ON-CHIP VERY HIGH SPECTRAL RESOLUTION SPECTROMETER", en la Conferencia Internacional sobre Óptica Espacial. vol. 4, Rodas, Grecia, 2010) y en el documento EP 1825312 B1.
En la configuración lineal SWIFT™, la onda estacionaria es creada por una guía de onda monomodo terminada por un espejo fijo. La extracción de energía requerida para muestrear la onda estacionaria se obtiene muestreando la onda evanescente en un lado de la guía de ondas utilizando puntos de nanodispersión ubicados en el campo evanescente. Estos nanopuntos, que se caracterizan por una diferencia de índice óptico con el medio en el que se encuentra el campo evanescente, dispersan la luz alrededor de un eje perpendicular al de propagación dentro de la guía de ondas. Para cada nanopunto, la luz dispersada es detectada por un píxel alineado con este eje. La intensidad detectada es, por lo tanto, proporcional a la intensidad de la guía de ondas en la ubicación exacta del nanopunto. Una función matemática conocida como transformada de Lippmann, que es similar a la transformada de Fourier, tiene en cuenta todos los datos de calibración y, cuando se aplica a la imagen lineal, proporciona el espectro de la luz. En estas configuraciones, el elemento retrorreflectante (un espejo) es fijo y no se introduce ninguna posibilidad de escaneo. Debido a esto, el espectrómetro SWIFTS comercializado se puede utilizar en aplicaciones en las que las señales tienen una longitud de coherencia significativamente larga, por ejemplo, para medir fuentes láser inestables, caracterización rápida de láser multimodo y ajuste de longitud de onda de láser de alta velocidad. Sin embargo, todavía existe una discrepancia significativa entre estos productos SWIFTS comercializados y un producto miniaturizado adecuado para aplicaciones espaciales/comerciales. Otro inconveniente de esta configuración es que la configuración inherente permite analizar el rango espectral de ancho de banda limitado por el principio de Nyquist (generalmente de 5 a 10 nm).
En los últimos años, se han publicado tecnologías centrales de gran avance aplicables a la espectroscopia. En 2010, basado en las ondas estacionarias de Lippmann y Gabor en guías de ondas, se introdujo un concepto novedoso para la espectroscopia, llamado "espectrómetro de matriz de plano focal (FPAS)" (G. B. y K. S., "Focal Plane Array Spectrometer: miniaturization effort far space optical instruments", Proc. de SPIE, vol. Vol7930, págs. 01-14, 2010). El FPAS es una implementación de imágenes de banda ancha de un espectrómetro integrado de transformada de Fourier de onda estacionaria, dirigido a aplicaciones espaciales. La ventaja de FPAS sobre las implementaciones anteriores es que permite realizar espectroscopia de imágenes por transformada de Fourier dentro de un volumen extremadamente pequeño y expandir el rango espectral de interés recopilado por medio de un principio de escaneo de interferograma. El FPAS, un concepto de instrumento altamente integrado, se basa en una matriz bidimensional de guías de ondas, en las que la luz se inyecta en un solo salto. En cada guía de ondas, la luz inyectada en un extremo de la guía de ondas se propaga a lo largo de ella y se refleja en un espejo en el otro extremo de la guía de ondas. Esto genera un patrón de interferencia estacionario (u onda estacionaria). Este patrón de onda estacionaria se muestrea por medio de muestreadores de campo evanescente, que están fijados geométricamente en las guías de onda y en los detectores. Al igual que en un espectrómetro de transformada de Fourier, el contenido espectral de una escena observada genera un patrón de interferencia específico como onda estacionaria, llamado interferograma. Para muestrear el interferograma, la luz se desacopla en la parte superior de la guía de ondas en distintas posiciones. El patrón de interferograma (que es generado por la luz recopilada que se propaga hacia adelante y hacia atrás en la guía de ondas) muestreado por los muestreadores de campo evanescente, se dirige (por ejemplo, mediante una óptica de transferencia de imágenes) a los píxeles de un detector de matriz. En primer lugar, para ampliar el ancho de banda espectral del espectro recopilado y recopilar la colección de interferogramas dentro de la longitud de coherencia de la señal, se adopta un espejo de escaneo. El detector de matriz transfiere la luz recopilada a una señal eléctrica y la envía a una unidad de procesamiento (DSP o FPGA). Un espectrómetro FPAS de este tipo se puede ensamblar en tamaño pequeño y formar un paquete compacto de espectrómetros individuales. Cuando este sistema se coloca en el plano focal de un objetivo, permitirá la espectrometría de imágenes de la superficie observada (objetos).
El FPAS es de hecho un concepto de miniaturización para espectrómetros de imágenes. Sin embargo, su rendimiento está específicamente limitado por los muestreadores de interferogramas que están fijados geométricamente en las guías de ondas. Los muestreadores no se pueden situar a una distancia espacial requerida por el criterio de Nyquist, de lo contrario, la distancia submicrónica entre ellos provocaría una interferencia entre los datos extraídos. La diafonía es causada por retrorreflexiones de modos guiados y su propagación en la guía de ondas. Aparte de eso, las técnicas de detección comunes requieren una óptica voluminosa para recopilar datos muestreados de muestreadores o de electrónica sofisticada. Estos cuellos de botella restringen el ancho de banda del dispositivo espectrómetro, debido al hecho de que en la configuración de Lippmann o Gabor el ancho de banda es inversamente proporcional a la distancia entre los muestreadores de interferograma.
Además, en las aplicaciones de banda ancha, la firma de los datos espectrales de banda ancha aparece como una envolvente de sincronización en el dominio espacial (interferograma). La información relevante para la reconstrucción adecuada del espectrómetro está contenida dentro de unos pocos micrómetros (dependiendo del ancho de banda) justo después de la superficie reflectante en el interferograma. En realidad, el lóbulo principal de esta función de sincronización que contiene la información de banda ancha tiene una longitud coherente muy corta. Por lo tanto, para la reconstrucción del espectro de banda ancha, la envolvente de sincronización, especialmente el lóbulo principal de la función de sincronización, se debe recuperar durante la adquisición de datos. Esto requiere que el primer muestreador de interferograma esté situado lo más cerca posible de la superficie reflectante, que está limitada debido a las barreras tecnológicas.
Hasta ahora, ninguna de las tecnologías existentes ha proporcionado una solución para hacer que los espectrómetros de guía de ondas miniaturizados sean apropiados para aplicaciones de banda ancha. Los dispositivos comercializados basados en el concepto SWIFTS padecen las limitaciones impuestas por la distancia mínima entre los muestreadores de interferograma, lo que produce un dispositivo de banda estrecha que solo es útil para aplicaciones de un solo píxel que normalmente funcionan en el dominio de submuestreo al violar el criterio de Nyquist.
En este sentido, Osowiecki, Gael D., et al. propone utilizar un espejo móvil como superficie reflectante para escanear el interferograma (Osowiecki, Gael D., et al. "Standing wave integrated Fourier transform spectrometer far imaging spectrometry in the near infrared.". SPIE Ingeniería Óptica Aplicaciones. Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica, 2015). Esta solución, por supuesto, proporciona más puntos de muestreo, pero al mismo tiempo el mecanismo de movimiento tiene la desventaja de que aumenta la complejidad del sistema, lo que no se aprecia en la mayoría de las aplicaciones, especialmente en aplicaciones espaciales. Además, la información del lóbulo principal finalmente se pierde en la separación entre el espejo móvil y el primer muestreador de interferograma.
Las dos tesis de la Université de Grenoble, "Étude d'un spectrometre intégré SWIFTS pour realiser des capteurs optiques firrés pour les sciences de I'observation", 2014, de Mikhael de Mengin Fondragon y "Étude et realización d'un spectrometre intégré a transformée de Fourier (SWIFTS )", 2010, de Jérome Ferrand describen variantes de espectrómetros de guía de ondas para llevar a cabo un escaneo de interferograma integrado, mientras que este último también propone integrar electrodos, situados junto a la guía de ondas en un plano, como moduladores. Desafortunadamente, el campo generado por estos electrodos tuvo efectos negativos en la propagación de la onda.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es proporcionar un espectrómetro de guía de ondas con una técnica de escaneo de interferograma completamente integrada con una construcción compacta y sencilla a la vez que se mejora el rango espectral/ancho de banda del espectrómetro.
De acuerdo con la presente invención, los actuadores, realizados por electrodos, se colocan en las caras laterales opuestas resp. paredes de la capa de sustrato, aparte del núcleo de guía resp. guía de ondas que genera un cambio de fase óptico requerido para escanear el interferograma. Preferiblemente, los electrodos se pueden colocar, por ejemplo, mediante técnicas de litografía (haz de electrones), recubrimiento por pulverización catódica, litografía de dos fotones, unión de parches u otros medios adecuados para adaptarse a la escala del problema. Los electrodos se adhieren a la superficie del sustrato; una capa de adhesión, por ejemplo, es posible que se requiera una capa de titanio delgada de 5 nm antes de depositar, por ejemplo, electrodos de oro.
El espectrómetro de guía de ondas según la presente solicitud tiene la ventaja de que el escaneo de interferogramas puede ser aplicado integrado en el espectrómetro de guía de ondas sin añadir bloques de construcción adicionales (tales como, por ejemplo, espejos móviles o moduladores externos adicionales) antes de la guía de ondas como se conoce de la técnica anterior.
El núcleo de la solución innovadora se basa en el efecto electroóptico/efecto térmico en materiales ópticos específicos (por ejemplo, cristales de niobato de litio LiNbO3). En otras palabras, según la presente invención se consigue un efecto electro-óptico/térmico que permite variar el índice de refracción de la guía de ondas donde se encuentra el interferograma. Además, de acuerdo con la presente invención, se consigue un espectrómetro de guía de ondas con una técnica de escaneo de interferogramas totalmente integrada basada en un efecto electroóptico, un efecto térmico u otros efectos en el material de la guía de ondas, realizando un sistema de adquisición de interferogramas basado en una guía de ondas de banda ancha adecuada para aplicaciones en espectrómetros dinámicos de Transformada
de Fourier u otros.
La solución según la presente invención utiliza ventajosamente acondicionamiento/modulación de señal integrados para conseguir un muestreo de un rango extendido o incluso completo del interferograma sin la necesidad de partes móviles (tales como espejos). Además, la invención tiene como objetivo la solución técnica para mover, o escanear, el interferograma, que puede tener una longitud de submilímetros a centímetros, dentro de la guía de ondas por una longitud de trayectoria óptica de unas pocas a unas pocas decenas de micras.
En una realización preferida de la presente invención, el espectrómetro de guía de ondas comprende muestreadores de campo evanescente no conductores en forma de difusores grabados tales como conos de luz de cristal fotónico o ranuras grabadas o estructuras metálicas eléctricamente conductoras tales como por ejemplo nanomuestreadores metálicos.
Dado que el campo eléctrico aplicado tiene efectos secundarios en la eficiencia de dispersión de los muestreadores metálicos convencionales, se prefiere el uso de muestreadores no conductores donde el efecto electroóptico se aplica directamente en la guía de ondas resp. núcleo de guía si los muestreadores están situados en el mismo.
Las estructuras metálicas eléctricamente conductoras que construyen los muestreadores de campo evanescente pueden ser optimizadas según la especificación de la aplicación (por ejemplo, la longitud de onda de funcionamiento). Podrían estar estructuradas como antenas plasmónicas en forma de varillas, como donuts o puntos simples. El material para estas nanoestructuras metálicas depende de la optimización para la aplicación específica, y generalmente es oro debido a las diversas propiedades (estabilidad química, rendimiento espectral), sin embargo, otros materiales tales como plata, cromo, platino son posibles alternativas.
La fabricación de estas nanoestructuras metálicas puede ser, por ejemplo a través de litografía por haz de electrones, recubrimiento por pulverización catódica, litografía de dos fotones.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describe un ejemplo de realización preferida del objeto de la invención en combinación con los dibujos adjuntos.
Figura 1a muestra una vista en perspectiva de una primera guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas según un ejemplo que no entra dentro del alcance de la invención con conos de luz de cristal fotónico como muestreadores de campo evanescente y electrodos en el lado de la guía de ondas resp. núcleo de guía (sin fotodetectores ni conductores);
Figura 1b muestra una vista en perspectiva de una segunda guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas según un ejemplo que no entra dentro del alcance de la invención con ranuras grabadas como muestreadores de campo evanescente;
Figura 1c muestra una vista en perspectiva de una tercera guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas según una realización de la presente invención en la que los electrodos están situados en caras laterales opuestas de la capa de sustrato;
Figura 2a muestra una vista en perspectiva de una cuarta guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor contrapropagativa con nanomuestreadores metálicos como muestreadores de campo evanescente;
Figura 2b muestra una vista en perspectiva de una quinta guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor contrapropagativa con difusores grabados como muestreadores de campo evanescente donde los electrodos está situados en caras laterales opuestas de la capa de sustrato en el área donde se encuentra el interferograma;
Figura 3a muestra una vista en perspectiva de una sexta guía de ondas para un espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor contrapropagativa con nanomuestreadores metálicos como muestreadores de campo evanescente;
Figura 3b muestra una vista en perspectiva de un séptimo espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor contrapropagativa con difusores grabados como muestreadores de campo evanescente escritos en la capa de sustrato;
Fig. 4 muestra un interferograma correspondiente a una luz policromática generada por una superposición de una onda que se propaga hacia adelante y una que se propaga hacia atrás con y sin aplicar voltaje a los electrodos.
Descripción
La Fig. 1a muestra una imagen en perspectiva de una primera guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas
según un ejemplo que no entra dentro del alcance de la presente invención con conos de luz de cristal fotónico 20 como muestreadores de campo evanescente. Los conos de luz de cristal fotónico son deformaciones cónicas en el revestimiento de la guía de ondas resp. capa de sustrato 10 que permite la extracción del campo evanescente. Los conos de luz de cristal fotónico se pueden conseguir utilizando, por ejemplo, litografía de haz de iones enfocado. Los muestreadores de campo evanescente están configurados para desacoplar la luz de la guía de ondas 11.
En este ejemplo, la guía de ondas 11 se extiende desde una cara de entrada 12 a través de una capa de sustrato 10, a lo largo de la dirección de la longitud I de la capa de sustrato 10, hasta un elemento reflectante 13 que actúa como un espejo retrorreflector para lograr una contrapropagación dentro de la guía de ondas 11 (la denominada configuración de Lippmann). En un área de la guía de ondas de superficie inscrita 11 escrita, por ejemplo mediante un pulso de láser de femtosegundo en la capa de sustrato 10, el índice de refracción cambia y difiere del material de sustrato no irradiado por láser. Inscribir la guía de ondas 11 directamente dentro de la capa de sustrato 10 mejora ventajosamente el proceso de fabricación de la capa de sustrato 10 con guías de ondas de superficie 11 y apilamientos de las mismas de una manera rentable. Como ventaja adicional, tal proceso de fabricación mediante la inscripción de la guía de ondas 11 permite el acceso directo a campos evanescentes sobre la superficie lisa de la capa de sustrato 10 requerida para los medios de desacoplamiento de luz. La capa de sustrato 10 muestra además una anchura de sustrato w1 y una altura de sustrato t1.
Por motivos de simplicidad y para mejorara las ilustraciones, la pluralidad de fotodetectores que funcionan como unidades de detección de luz y normalmente dispuestos en un lado frontal I de la capa de sustrato 10 y los conductores correspondientes para la conexión eléctrica de dicha pluralidad de fotodetectores no se muestran en la Fig. 1a ni en las siguientes figuras de la presente solicitud. En una realización preferida, la pluralidad de fotodetectores está directamente conectada en los muestreadores de campos evanescentes de la guía de ondas. El fotodetector puede tener la forma de nanosensores de película delgada o de una matriz estándar.
Alternativamente, un sistema de transferencia de imágenes está situado entre los fotodetectores y los muestreadores de campo evanescente. Además, una pluralidad de dichas guías de ondas 11 en una capa de sustrato 10 puede formar una pila de espectrómetros.
Preferiblemente, la capa de sustrato 10 está realizada, pero no se limita a, un cristal de LiNbO3. Alternativamente, la capa de sustrato 10 se puede realizar con otros materiales electro-ópticos (que tengan un coeficiente de Pockels significativamente alto) que permitan la fabricación de guías de ondas de baja pérdida, por ejemplo, arseniuro de galio (GaAs), niobato de litio (LiNbO3), fosfuro de galio (GaP), tantalita de litio (LiTaO3) o cuarzo. Entre ellos, el LiNbO3 es atractivo debido a sus grandes coeficientes electro-ópticos, gran rango de transparencia (0,4 a 4 gm) y amplio ancho de banda intrínseco.
Los muestreadores de campo evanescente (por ejemplo, en forma de conos de luz de cristal fotónico como se muestra en la Fig. 1a o surcos grabados como se muestra en la Fig. 1b) están preferiblemente distanciados por un paso que debe satisfacer el criterio de Nyquist para el muestreo espectral en combinación con las propiedades del material y el tamaño de los píxeles del detector (para el caso de detectores depositados en el chip) y la capacidad de resolución de la imagen del sistema de transferencia de imágenes restringida por factores limitantes de difracción (para el caso de detectores de campo lejano combinados con óptica). Los números típicos están comprendidos en el rango, pero no limitado a, p = 1 gm a 20 gm.
Los electrodos 30; 30' (es decir, el ánodo y el cátodo), están situados a un lado directamente junto al núcleo de guía, respectivamente la guía de ondas 11, mientras que los electrodos 30; 30' están funcionando, mientras se aplica una tensión eléctrica como modulador del índice de refracción. Una separación de define la distancia entre los electrodos 30; 30'. Además, se define una distancia d entre la guía de ondas 11 y cada uno de los electrodos.
En este ejemplo, los electrodos 30; 30' están situados en la superficie superior hacia el lado frontal I de la capa de sustrato 10. El índice de refracción del núcleo de guía respectivamente la guía de ondas 11 es conocido y tiene un valor fijo (n1). Tan pronto como se aplica un voltaje entre los electrodos 30, 30', el índice de refracción en la guía de ondas 11 cambia (n2 = n1 An), lo que da lugar a un cambio del interferograma como se ilustra en la Fig. 4. Este proceso es reversible, es decir, después de desconectar la tensión, el índice de reflexión vuelve al valor fijo n1. El hecho de que el cambio del índice de reflexión se pueda modificar aplicando voltaje tiene la ventaja de que este proceso reversible se puede realizar rápidamente.
Además, el modulador integrado puede estar configurado para compensar las perturbaciones de la propiedad de refracción de la guía de ondas que pueden surgir a partir del esfuerzo, los efectos térmicos u otras perturbaciones.
Is es la longitud de los interferogramas muestreados por los muestreadores de campo evanescente, mientras que le es la longitud de los electrodos. La longitud de los interferogramas muestreados Is también define la resolución espectral alcanzable (por ejemplo, en el NIR a 766 nm, un Is = 5 mm da una resolución espectral de 0,025 nm). La diferencia entre Is, an, le, es una situación de compromiso entre minimizar las pérdidas de transmisión de la guía de ondas y minimizar la posible desviación incontrolada de la luz que se origina en un acoplamiento de luz no perfecto en la guía de ondas 11. Preferiblemente, la diferencia le - Is puede estar dentro de un rango, sin estar limitada a, de 0 a 10 veces Is. La longitud le de los electrodos corresponde aquí esencialmente a la longitud de la guía de ondas 11.
El primer muestreador, es decir, el más cercano al elemento reflectante 13, está distanciado por una distancia m respecto al elemento reflectante 13. Preferiblemente, el primer muestreador está situado a una distancia m<p del elemento reflectante, siendo m tan pequeña como sea técnicamente factible, idealmente acercándose a cero. Por ejemplo, con el mecanizado de espejo de haz de iones enfocado, se pueden alcanzar distancias m en el rango de 50 nm.
De aquí en adelante, los mismos números de referencia designaran en lo sucesivo los mismos componentes en las figuras.
La Fig. 1b muestra una imagen en perspectiva de una segunda guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas según un ejemplo que no entra dentro del alcance de la presente invención que difiere del ejemplo según la Fig. 1a en las ranuras grabadas 21 como muestreadores de campo evanescente. Las ranuras grabadas 21 son deformaciones en el revestimiento de la guía de ondas resp. capa de sustrato 10 que permiten la extracción del campo evanescente. Las ranuras grabadas 21 se pueden conseguir utilizando, por ejmeplo, litografía de haz de iones enfocado.
La Fig. 1c muestra una imagen en perspectiva de una realización de una guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas según la presente invención. En esta realización preferida, los electrodos 30; 30' están situados en caras laterales opuestas resp. paredes laterales de la capa de sustrato 10 y procediendo perpendicularmente al lado frontal I de la capa de sustrato 10 a lo largo de una longitud le. Además, en esta tercera realización preferida, la anchura w1 de la capa de sustrato 10 es igual a la separación de entre los electrodos, es decir, de = w1.
La Fig. 2a muestra una imagen en perspectiva de una cuarta guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas 1 en una configuración de Gabor con un nanomuestreador metálico en forma de puente 22 como muestreadores de campo evanescente. Estas estructuras metálicas como muestreadores de campo evanescente son, por ejemplo, antenas plasmónicas en forma de nanobarras cuyas eficiencias de dispersión están optimizadas para el ancho de banda de operación. La fabricación se realiza a través de litografía de haz de electrones, recubrimiento por pulverización catódica, litografía de dos fotones, etc.
En la configuración de Gabor contrapropagativa como se muestra en la Fig. 2a, los medios para conseguir señales ópticas contrapropagantes están compuestos por un elemento divisor de haz configurado para dividir la señal óptica recibida en dos señales separadas guiadas a través de dos caras de entrada 12; 12' en la guía de ondas 11 para lograr una contrapropagación dentro de la guía de ondas 11.
Un electrodo 30 está situado directamente junto a la guía de ondas 11 mientras que otro electrodo 30' (no visible en la Fig. 2a) está situado en lados opuestos. En esta cuarta guía de ondas 11, los electrodos 30; 30' (es decir, el ánodo y el cátodo) están situados en un brazo 41 de los dos brazos 41; 41'. De acuerdo con el ejemplo que se muestra en la Fig. 2a, los electrodos 30; 30' están situados sobre un brazo 41 del núcleo guía y no directamente sobre el interferograma. La longitud del brazo lateral izquierdo 41' y del brazo lateral derecho 41 pueden ser iguales o distintas. En este último caso, la diferencia de trayectoria óptica cero (ZPD) se desplaza desde el centro y esto permite el desplazamiento físico del interferograma debido al cambio del índice de refracción en el material de la guía de ondas. El índice de refracción a lo largo de la trayectoria de la luz a través del brazo 41 se puede modular aplicando un voltaje eléctrico a los electrodos 30; 30' a lo largo de la longitud le. En esta configuración, la longitud del interferograma muestreado Is también define la resolución espectral alcanzable. Principalmente, la longitud de los electrodos 30; 30' le es un compromiso entre optimizar la modulación que se conseguirá a través del efecto electro-óptico, minimizar las pérdidas de transmisión de la guía de ondas y minimizar el posible desvío incontrolado de la luz originado por un acoplamiento de luz no perfecto en la guía de ondas.
La Fig. 2b muestra una imagen en perspectiva de una quinta guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor con difusores grabados en forma de conos de luz de cristal fotónico 20 como muestreadores de campo evanescente.
Según este ejemplo, los electrodos 30; 30', es decir, el ánodo y el cátodo (30' no es visible en la Fig. 2b), están situadis en lados opuestos directamente sobre el brazo de guía de ondas 40.
La Fig. 3a muestra una imagen en perspectiva de una sexta guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor con una pluralidad de nanomuestreadores metálicos como muestreadores de campo evanescente.
La guía de ondas 11 puede ser escrita en la capa de sustrato 10, por ejemplo, mediante un láser de pulso de femtosegundo.
La Fig. 3b muestra una imagen en perspectiva de una séptima guía de ondas 11 del espectrómetro de guía de ondas en una configuración de Gabor con difusores grabados en forma de conos de luz de cristal fotónico 20 como muestreadores de campo evanescente escritos en la capa de sustrato 10.
Según este ejemplo, los electrodos 30; 30' (es decir, el ánodo y el cátodo), pueden estar situados en la superficie del lado frontal I de la capa de sustrato 10.
La Fig. 4 muestra un interferograma correspondiente a una luz policromática generada por la superposición de una onda que se propaga hacia adelante y una que se propaga hacia atrás con (II) y sin (I) aplicando voltaje a los electrodos lo que conduce a un cambio del índice de refracción ejemplificado en un cristal de LiNbO3 utilizando una guía de ondas de acuerdo con una de las primera a tercera guías de ondas como se muestra en las Figs. 1a a 1c. En (II) donde se aplica voltaje a los electrodos, se consigue un cambio del índice de refracción An variando la diferencia de trayectoria óptica efectiva Aopd del interferograma. Como se indica en la Fig. 4, la superficie reflectante formada por el elemento reflectante 13 está situada a la izquierda con una diferencia de trayectoria óptica (opd) = 0 cm. La onda se propaga a través de la cara de entrada 12 desde el lado derecho hasta el elemento reflectante 13, se refleja y forma una onda estacionaria en la guía de ondas 11.
En la configuración de Lippmann, donde una onda que se desplaza hacia delnte es retrorreflejada en un lado de la guía de ondas y la superficie reflectante se encuentra (en OPD cero), el interferograma se comprime (en términos generales, se modula/deforma, es decir, se comprime, se desplaza o se expande) delante de los muestreadores fijos (es decir, los conos de luz de cristal fotónico 20, las ranuras grabadas 21, los nanomuestreadores metálicos 22) permitiendo el escaneo de interferogramas.
En resumen, la solución innovadora consiste en escanear el interferograma debajo de una configuración de muestreadores fijos aprovechando el efecto electroóptico/efecto térmico del material de guía de ondas específico dentro de la propia guía de ondas 11. Esto se lleva a cabo variando el índice de refracción del módulo de guía de ondas (por ejemplo, An = 0,4 según la Fig. 4) que alberga el interferograma mediante la aplicación de un campo eléctrico. El campo eléctrico se crea aplicando voltaje a los electrodos embebidos en el dispositivo espectrómetro de guía de ondas. El cambio en el índice de refracción de la guía de ondas 11 modifica la longitud efectiva de la trayectoria óptica lo que da como resultado la expansión/compresión (es decir, modulación) del interferograma y su desplazamiento a lo largo de la trayectoria óptica en Aopd (ver Fig. 4). En principio, este fenómeno se puede interpretar como la parada de un interferograma generado por una onda que se propaga hacia adelante y una que se propaga hacia atrás frente a los muestreadores de interferograma que están en una configuración inamovible.
Listado de números de referencia
1 Espectrómetro de guía de ondas
10 Capa de sustrato
11 Guías de ondas de superficie
12, 12' Cara de guía de ondas de entrada/acoplamiento
13 Elemento reflectante con superficie reflectante
20 Cono de luz de cristal fotónico
21 Ranura grabada
22 Nanomuestreador metálico
30; 30' Electrodos
40 Brazo de guía de ondas principal (del interferómetro)
41; 41' Brazo (del interferómetro)
d Distancia entre cada uno de los electrodos y la guía de ondas
de Separación entre electrodos
I Lado frontal (de la capa de sustrato)
Is Longitud del interferograma muestreado (por muestreadores de campo evanescente)
le Longitud (electrodos)
l Longitud del sustrato
m Distancia entre la superficie reflectante y el primer muestreador
p Paso (entre muestreadores de campo evanescente)
t1 Altura del sustrato
w1 Anchura del sustrato
Claims (8)
1. Espectrómetro de guía de ondas (1) para realizar escaneos de interferogramas integrados, compuesto por:
- al menos una capa de sustrato (10) con al menos una guía de ondas (11), extendiéndose cada guía de ondas (11) desde una cara de entrada (12) y está configurada para guiar la luz recibida,
- al menos un muestreador de campo evanescente en la guía de ondas (11), configurado para desacoplar la luz de la guía de ondas (11), al menos una unidad de detección de luz configurada para detectar la luz desacoplada, estando cada uno conectado eléctricamente a un sistema de lectura electrónico, y
- medios para obtener señales ópticas que se propagan en sentido contrario dentro de la guía de ondas (11) configurados para obtener interferencia entre las señales ópticas que se propagan en sentido contrario generando un patrón de interferencia a lo largo de la guía de ondas (11) en un interferograma,
al menos un modulador integrado configurado para permitir el acondicionamiento de las señales ópticas guiadas y configurado para modificar el índice de refracción, en donde dicho al menos un modulador integrado está realizado por electrodos (30; 30') situados a un lado junto a la guía de ondas (11) generando un desfase óptico necesario para modular el interferograma y en donde la distancia (d) entre la guía de ondas (11) y cada uno de los electrodos (30; 30') es d > 0 mm,
caracterizado por que
los electrodos (30; 30') está situados en caras laterales opuestas en el exterior de la capa de sustrato (10) al lado de la guía de ondas (11) y avanzando perpendicularmente al lado frontal (I) de la capa de sustrato (10) a lo largo de una longitud (le).
2. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado por que
el espectrómetro de guía de ondas (1) comprende un elemento reflectante (13), en donde la guía de ondas (11) se extiende desde una cara de entrada (12) a través de la capa de sustrato (10) hasta un elemento reflectante (13) para conseguir una configuración de Lippmann.
3. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado por que
los medios para conseguir señales ópticas de contrapropagación comprenden un elemento divisor de haz configurado para dividir la señal óptica recibida en dos señales separadas guiadas a través de dos caras de entrada (12; 12') en la guía de ondas (11) para conseguir contrapropagación dentro de la guía de ondas (11) en una configuración de Gabor.
4. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
el al menos un muestreador de campo evanescente en la guía de ondas (11), configurado para desacoplar la luz de la guía de ondas (11) consiste en conos de luz de cristal fotónico (20) y/o ranuras grabadas (21) y/o nanomuestreador metálico (22).
5. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
la al menos una guía de ondas (11) está inscrita directamente en la capa de sustrato (10), en particular mediante un láser de pulsos de femtosegundos.
6. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
el modulador de señal integrado hace uso del efecto electro-óptico para conseguir la modulación de la propiedad del índice de refracción.
7. El espectrómetro de guía de ondas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
la capa de sustrato (10) está realizada con LiNbO3 , en donde al menos un modulador de índice de refracción se implementa directamente en el LiNbO3.
8. Método para fabricar un espectrómetro de guía de ondas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende los pasos de:
- inscribir la al menos una guía de ondas de superficie (11) en la capa de sustrato (10) con un rayo láser en la dirección de la longitud (I) de la capa de sustrato (10),
- colocar al menos un muestreador de campo evanescente en la guía de ondas (11), configurado para desacoplar la luz que sale de la guía de ondas (11),
- posicionar medios para obtener señales ópticas que se propaguen en sentido contrario dentro de la guía de ondas (11) configurados para obtener interferencia entre las señales ópticas que se propagan en sentido contrario generando un patrón de interferencia a lo largo de la guía de ondas (11),
- posicionar una o más unidades de detección de luz configuradas para detectar la luz desacoplada conectando cada una eléctricamente a un sistema de lectura electrónico,
caracterizado por que
los electrodos (30; 30') para modular el interferograma óptico están situados a un lado junto a la guía de ondas (11) y en caras laterales opuestas en el exterior de la capa de sustrato (10) a un lado de la guía de ondas (11) y avanzando perpendicularmente hacia el lado frontal (I) de la capa de sustrato (10) a lo largo de una longitud (le).
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