WO2009133228A1 - Acoplador de red de difracción, sistema y procedimiento - Google Patents

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WO2009133228A1
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coupler
waveguide
specimen
net
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Kirill Zinoviev
Carlos Dominguez Horna
Laura Maria Lechuga Gomez
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Consejo Superior De Investigaciones Cientificas
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    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12097—Ridge, rib or the like

Definitions

  • the present invention relates to optical devices and, more particularly, to diffraction network couplers.
  • Optical diffraction gratings are often used for excitation outside the plane of waveguide modes.
  • the coupled light can then be used for various purposes, such as for transporting electromagnetic energy along the waveguide or for thin film characterization ("thin film”) by the so-called "m-line” method.
  • the excitation of the waveguide mode takes place at a very specific incidence angle that depends on the parameters of the system comprising a diffraction structure and a waveguide structure.
  • Prism couplers despite their reliability and efficiency, have several disadvantages: the refractive index of the prism must be higher than the effective propagation index in the excited way. This factor does not allow prisms to be used for the coupling of light in waveguides made of materials with a high refractive index. In addition, the prisms are bulky. A prism that can be used to work with many chips consecutively, but the integration of several prisms in each small chip for discontinuous manufacturing is impracticable.
  • the typical length of the diffraction network couplers (in English, diffraction grating couplers, DGC) does not exceed 100 ⁇ m, which provides the ability to integrate many of them within a small area of a few square millimeters
  • the excitation of a waveguide mode in a shallow grid or diffraction network takes place in a very narrow range of incidence angles.
  • the excitation angle can vary more than 10 '1 degrees in response to a variation of 10' 2 in the refractive index of a waveguide or cladding layer Ia (English,
  • cladding layer This property is used effectively in sensors and can be applied to the characterization of waveguide.
  • the determination of the complex refractive index (in English, “complex refractive index”) and the thickness of a waveguide can be carried out as is done in the "m-line” method for coupling the prism.
  • the main problem with high quality diffraction network couplers is the complexity of its manufacture, such as high precision, submicron resolution lithography, the characterization of each grid or diffraction network, the compatibility of technologies for manufacturing of a corrugation with submicron periodicity and a system of light wave circuits in the same sample.
  • These problems increase costs and complicate the manufacture of waveguides with the grids or diffraction grids embedded.
  • the manufacture of the corrugation in each sample, especially for the characterization, is very expensive and laborious.
  • the grid or diffraction net cannot be extracted from the waveguide.
  • diffraction networks generally have low coupling efficiency, unless a complicated corrugation profile or a multilayer structure is applied, which is difficult to achieve with gratings or diffraction networks embedded in waveguides.
  • PDMS a viscoelastic silicone elastomer
  • A.N. Simonov et al. In "Light scanner based on a viscoelastic stretchable grating", Opt. Lett. 30, 949-951 (2005).
  • a polished wafer was placed on the upper surface. After curing the liquid PDMS, the elastomeric impression of the grid or net was detached from the silicon surface.
  • the technique presented serves to measure a high refractive index of flat silicon waveguide on insulator (in English, "silicon-on-insulator", SOI) and allows the elastomeric impression to be extracted without damaging the surface of the waveguide.
  • the present invention tries to solve the aforementioned problems by means of a diffraction net coupler having a waveguide made of hard optical materials, a net and a soft polymer part in order to fix or mount the waveguide on a substrate or in the specimen to be measured or characterized.
  • an elastomer is used only for the purpose of assembly.
  • the device and the procedure ensure a good and reproducible contact of the IOC with the diffraction net coupler manufactured separately.
  • the waveguide and the network can be specially designed, manufactured in batch, fixed to a soft polymer film (such as polydimethylsiloxane), carefully characterized and then installed on the substrate or specimen to be characterized.
  • An aspect of the invention relates to a diffraction net coupler comprising an optical waveguide with a first surface and a second surface opposite said first surface, wherein said optical waveguide has a diffraction network on one of said surfaces ,.
  • the coupler additionally comprises a soft polymer film deposited on and fixed to said optical waveguide, wherein said soft polymeric film partially surrounds said optical waveguide and leaves one of said two surfaces of said optical waveguide cleared, thus being the diffraction mesh coupler mountable on and temporarily adherent to a specimen by fixing said soft polymer film to said specimen.
  • the soft polymer film is made of poly (dimethylsiloxane).
  • the diffraction network comprises a plurality of crests, said crests being controllable according to an angle of incidence of the light.
  • Said ridges are preferably rectilinear.
  • the diffraction network is preferably characterized by: the refractive index of said ridges, the refractive index of the gaps between said ridges, their thickness, the profile of said ridges and their period.
  • the diffraction network is preferably designed in such a way that its period satisfies a phase correspondence condition for the excitation of at least one propagation mode TE and one propagation mode TM.
  • the optical waveguide comprises at least one layer.
  • This optical waveguide can be a flat waveguide.
  • This optical waveguide can be made of at least one hard optical material.
  • the optical waveguide is preferably characterized by its refractive index and its thickness.
  • the diffraction net is preferably chemically etched onto said optical waveguide.
  • the diffraction net is preferably made of a material different from the material of which the waveguide layer is made on which said diffraction net is chemically etched.
  • a system for the characterization of a specimen comprising: a diffraction network coupler as mentioned above; a specimen in which said diffraction network coupler is mounted by means of the soft polymer film of said diffraction network coupler; and a light source to illuminate said diffraction net coupler; wherein said diffraction network coupler is configured to couple light from said light source to said specimen, thereby exciting at least one mode in the waveguide comprised in said diffraction network coupler.
  • the specimen is a bulky material or a thin film material deposited on a substrate or stack of thin films deposited on a substrate.
  • the present invention also provides the use of the aforementioned diffraction net coupler to measure the refractive index of a specimen, said specimen being a bulky material or a thin film material deposited on a substrate or a stack of thin films deposited on a substratum.
  • the present invention also relates to a method for characterizing a specimen, comprising the following steps: mounting a diffraction net coupler on a specimen, pressing the soft polymer film of said diffraction net coupler against said specimen; exciting at least one mode in the waveguide comprised in said diffraction network coupler by illuminating said diffraction network coupler with a beam of light emitted by a laser; sweeping the angles of incidence of said beam of light emitted on said diffraction network coupler; record the excitation angles of the waveguide modes; calculate a certain parameter of the specimen using modeling techniques.
  • the specimen is a bulky material or a thin film material deposited on a substrate or stack of thin films deposited on a substrate.
  • Figure 1 shows a cross section of a network coupler of diffraction according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a diffraction net coupler according to the present invention.
  • Figure 3 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a diffraction net coupler according to the present invention.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a diffraction net coupler according to the present invention.
  • Figures 5a to 5h illustrate an experiment based on Figure 2.
  • Figures 6a to 6d illustrate an experiment based on Figure 3.
  • Figures 7a to 7f show an example of manufacturing the diffraction net coupler of the invention.
  • Figure 8 shows an example of a configuration for the characterization of the probe.
  • Figures 9a to 9c show the transmission of a network probe against the angle of incidence for the polarization TE (9a), the image of the point produced by the light transmitted through the probe (9b) and the view of the cross section of the structure used in the experiment (9c).
  • Figures 10a-I Oc show an excitation experiment of a probe of the waveguide and the images of the point produced by the light transmitted through the probe in the resonance and outside the resonance.
  • Figures 10d-I Og show the assembly process of the coupler of the figure
  • Figure 1 1 shows an example of the polymer film.
  • Figure 12 shows a demonstration of the out-of-plane light coupling on a rod wave (in English, "rib waveguide") using the proposed DGC-PDMS hybrid system.
  • Figure 13 shows the modal distributions of the electric field constructed for a silicon nitride waveguide with and without a probe mounted on it.
  • Soft polymers from English, "sofa polymers”: amorphous polymers that, above their transition temperature, their mechanical properties are similar to those of rubber. In other words, soft polymers have, above their transition temperature, the elasticity property. Thanks to this property, considerable segmental movement is possible. Thus, soft polymers can be used as temporary adhesive.
  • Hard optical material The material that, below its glass transition temperature, allows the propagation of light without loss.
  • hard optical materials are silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, tantalum oxide and glass.
  • Bulky material from English, "material bull”: It is a material that has a thickness much greater than the wavelength of light that can potentially travel through it. No interference phenomena are observed when the light propagates through bulky materials.
  • TE (electric transverse) mode mode that does not have an electric field in
  • TM magnetic transverse
  • Figure 1 shows a cross section of a diffraction network coupler (in English, "diffraction grating coupler") 100 according to an embodiment of the present invention. It comprises an optical waveguide 101 having a diffraction net 1 10.
  • the wavelet 101 can be a monolayer waveguide or a multilayer waveguide (formed by a stack of layers).
  • the diffraction net or grid 1 10 may be embedded in or fixed to the waveguide 101.
  • the net 1 10 is a structure of formations in parallel ridges 1 12, along a portion or along the entire surface of the wave 101.
  • the ridges 1 12 can be called “teeth”, while the space 1 1 1 between the crests 1 12 can be called “holes" 1 1 1.
  • the net 10 is defined by a plurality of ridges or teeth
  • the teeth of the network 1 12 are made of a material with a refractive index different from that of the holes of the network 1 1 1.
  • the network 1 10 can be made on any of the two surfaces of the waveguide 102 103.
  • the optical waveguide 101 is a flat waveguide.
  • the waveguide 101 is made of a hard optical material as previously defined.
  • the diffraction net coupler 100 also comprises a polymer film 120, to which the waveguide 101 and net 1 10 are attached.
  • the wavelet 101, the net 1 10 and the polymeric film 120 form a "probe wavelet” or a "probe".
  • Polymer film 120 is soft.
  • Soft polymers are: poly (dimethylsiloxane) (PDMS), photoresist SU8 and polymethyl methacrylate
  • the soft polymer film is made of poly (dimethylsiloxane) (PDMS).
  • PDMS poly (dimethylsiloxane)
  • the polymer film 120 deposited on and fixed to the waveguide 101 partially surrounds the waveguide 101. As can be seen in Figure 1, the polymer film 120 does not completely surround the waveguide 101, but leaves an open and free surface.
  • the probe (wavelet 101 plus net or diffraction grating 1 10 plus polymer film 120) has the following parameters: thickness of the wavelet 101, refractive index of the wavelet 101, corrugated depth of the grid or diffraction grating, period and duty cycle of the grid or diffraction net 1 10, index of refraction of the material from which the ridges or teeth 1 12 are made and index of refraction of the polymer film.
  • the thickness of the wavelet 101 is preferably between 50 and 5000 nanometers.
  • the refractive index of the waveguide 101 is preferably between 1, 1 and 4.1 RIU (units of the refractive index).
  • the corrugation depth of the grid or diffraction net is preferably between 50 and 5000 nanometers.
  • the period of the grid or network 1 10 is preferably between 200 and 1000 nanometers.
  • the duty cycle of the grid or network 1 10 is preferably between 0.2 and 0.8.
  • the index of refraction of the material from which the ridges or teeth 1 12 are made is preferably between 1, 1 and 4.1 RIU.
  • the refractive index of the polymer film 120 is preferably between 1, 1 and 2.1 RIU.
  • the diffraction net coupler 100 is designed to be mountable on a substrate or specimen by means of the polymer film 120, which is designed to fix the diffraction net coupler 100 to that substrate or specimen.
  • the probe (waveguide 101 having the grid or diffraction net 1 10 plus the soft polymer film 120) can be pressed against any substrate or specimen on its side or surface that has the optical probe open (or free) ( not covered by polymer film 120).
  • the waveguide probe pressed (by means of the soft polymer film 120) against the substrate or specimen can be fixed to that substrate or specimen, such that no air gap is formed between the probe of the waveguide and the substrate or specimen.
  • the probe of the waveguide (wavelet 101 having the grid or diffraction net 1 10 plus soft polymer film 120) can be released from the substrate or specimen when necessary.
  • the unique structural properties of the soft polymer ensure that it does not form No air gap between the diffraction net coupler and the IOC, even if the substrate is non-flat (that is, the PDMS adheres to the surface). This condition ensures the correct behavior of the proposed system.
  • the elasticity of the soft polymer allows it to be released from fragile and complex structures, which allows the couplers to be removed from, for example, a waveguide, and reassembled when necessary.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a diffraction net coupler 200 fixed to a substrate 240 on which a specimen 230 is located.
  • the purpose of the experiment is to characterize said specimen 230 (for example a layer of the waveguide) or to attach light to this layer 230 (in this case, the specimen that is a monolayer waveguide). It is assumed that there is no air gap between the probe and the surface of the specimen (or waveguide) 230 thanks to the structure comprising a soft polymer 220.
  • the light incident at a certain angle ⁇ on the grid or net 210 is partially coupled to the specimen (wave 230) deposited on the substrate 240 and propagated along it.
  • the parameters (thickness and refractive index) of the waveguide 230, together with the parameters (thickness, refractive index and period of the diffraction network) of the probe define the excitation angles ⁇ of the propagation modes allowed for propagation along the structure formed by the waveguide 230 and the probe (wavelet 201 with the grid or diffraction net 210 plus soft polymer film 220). Since it is assumed that the parameters of the probe are known, then knowing the excitation angles, the parameters of the waveguide 230 can be found using conventional procedures evident to those skilled in the art. These excitation angles ⁇ can be found, for example, using angular scanning and detecting the maximum light energy that comes out of the waveguide 230 at its output.
  • two modes can be excited and one can find the refractive index and the thickness of the waveguide solving the corresponding system of dispersion equations.
  • Figure 3 describes a cross-sectional view of another exemplary embodiment of a diffraction net coupler 300 fixed to a specimen of bulky material or to layer 330.
  • the index of refraction of bulky material that forms layer 330 defines the excitation angles ⁇ of the propagation modes of the waveguide probe allowed for the propagation in the structure formed by the probe and the bulky specimen 330 in this configuration. Knowing the excitation angles, the parameters (that is, the complex refractive index) of the bulky material 330 can be found using conventional procedures evident to those skilled in the art. These excitation angles ⁇ can be found, for example, using angular scanning and detecting the abnormal behavior of the reflected light of the structure formed by the probe and the bulky specimen 330. The purpose of this particular example is to measure the refractive index of the bulky material 330 or calibrate the probe if the refractive index of bulky material 330 is known.
  • the coupler can be used for the characterization of the refractive index of bulky materials with an index lower than that of the probe. This is achieved by exciting the probe and obtaining the refractive index that has been characterized by the excitation angle.
  • the grid or diffraction net 1 10 210 310 can be implemented on the upper side or surface 102 202 302 of the waveguide 101 201 301 or on the opposite side or surface 103 203 303 of the waveguide 101 201 301.
  • the index of refraction of the ridges or teeth of the grid or diffraction net 1 12 212 312 is different from the refractive index of the polymer film 120 220 320, which fills the gaps 1 1 1 21 1 31 1 between the teeth 1 12 212 312.
  • the refractive index of the ridges or teeth of the grid or diffraction net 1 12 212 312 must be different from that of the environment, for example, air (see figure 1).
  • the excitation of the waveguide modes is carried out by means of a coherent laser light from a laser source, not illustrated in the figures.
  • the diffraction network coupler 100 200 300 of the invention can be used for the characterization of the intrinsic properties (such as the thickness of the waveguide and the refractive index) of the waveguide probe.
  • the wavelet 101 201 301 forming the waveguide probe is made of a material having a refractive index substantially higher than that of the polymer forming the soft polymeric film 120 220 320.
  • the wavelet 101 201 301 supports at least one mode of propagation with polarization TE and at least one propagation mode with polarization TM to allow the resolution of the system of dispersion equations and thus allow the characterization of the probe.
  • the probe forming the diffraction net coupler 100 200 300 of the invention can also be used for the characterization of the refractive index of bulky materials, following the implementation of Figure 3.
  • the structure formed by the diffraction net coupler 300 (waveguide 301 with the grid or diffraction net 310 plus the soft polymer film 320) plus the layer of bulky material 330 supports at least one polarization mode TE and / or one polarization mode TM. As is evident to an expert, this is a necessary requirement to excite the propagation mode in the probe and then find out the refractive index of the bulky material 330.
  • the refractive index of the waveguide 301 must be greater than the index of refraction of the material to be characterized (material bulky 330).
  • the period of the grid or diffraction net 310 is chosen to provide the excitation of the structure. This means that the period of the grid or diffraction net 310 must be chosen appropriately. If the period is not chosen properly, there will be no excitation of the probe of the observed waveguide and the refractive index cannot be determined.
  • the probe that forms the diffraction net coupler 100 200 300 of the invention can also be used for the characterization of a thin film (of English, "thin film”) or of a stack of thin films (of English, "snack of thin films ”) deposited on a substrate.
  • Figure 4 represents this embodiment, in which the structure formed by the diffraction net coupler 400 (wave 401 with a grid or diffraction net 410 plus a soft polymer film 420) plus the thin film or stack of thin films 430 further, the substrate 440 supports at least one polarization propagation mode TE and at least one polarization propagation mode TM. Again, this is a necessary requirement to excite the propagation mode in the probe.
  • the index of refraction of the waveguide 401 may be higher or lower than the index of refraction of the characterized material (the material that forms the stack of thin films 430) and that of the polymer film 420.
  • the period of the grid or diffraction net 410 is chosen to provide the excitation of the waveguide structure. That period should be chosen appropriately. If the period is not chosen properly, there will be no excitation of the probe of the observed waveguide and the refractive index cannot be determined.
  • the probe that forms the diffraction net coupler can also be designed and used for the characterization of optical waveguides.
  • the structure formed by the waveguide probe (waveguide 401 with the grid or diffraction net 410 plus soft polymer film 420) more the thin film or stack of films 430 (the waveguide to be characterized) plus the substrate 440 supports at least one polarization propagation mode TE and at least one polarization propagation mode TM.
  • the probe may be designed for light coupling in an optical waveguide.
  • the elastomeric films can be easily adapted to the shape of the surface to which it is necessary to fix them.
  • the waveguide probes comprising a 120 220 320 420 polydimethylsiloxane (PDMS) film and a waveguide made of a hard optical material are appropriate to be fixed to a specimen 230 330 430.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the waveguide probes comprising a soft film material
  • 120 220 320 420 allow the construction of diffraction net couplers that are mountable: This is due to the bonding and separation properties of the soft polymer film 120 220 320 420 comprised in the waveguide probe.
  • etching can be used dry or wet combined with lithography.
  • Figure 5a shows an experiment of a diffraction net coupler fixed to a wave in turn deposited on a stopper or buffer (of the English, "buffer") and a substrate. It corresponds to the embodiment of Figure 4, in which a structure is presented comprising two thin films 530 deposited on a substrate 540.
  • the probe is mounted on a waveguide having a refractive index of 2.03 and a thickness of 180 nm, in turn deposited on a buffer (“buffer") of silica (with a thickness of 2 ⁇ m), in turn located on a silicon substrate (which has an index of 3.88, and in which omitted the imaginary part).
  • the probe has a grid or diffraction net with a thickness of 30 nm, a period of 500 nm and a duty cycle of 0.5. It is assumed that the waveguide of the probe has a thickness of 150 nm and a refractive index of 2.03. The angle of incidence was calculated in the air.
  • Figure 5b shows the dependence of the reflection of the structure with the angle of incidence. An abnormal reflection close to the unit is observed if the excitation angle is far from the angle corresponding to the condition of
  • Ia Self-conditioning condition is satisfied when the angle of incidence is 39.25 °, for a laser wavelength of 633 nm. In this interval a low reflection and a Q factor are observed.
  • Figure 5b shows the results of reflection simulations of the probe mounted on a waveguide with a refractive index of 2.03 deposited on top of silica (with a thickness of 2 ⁇ m) located on a silicon substrate (with an index of 3.88 and whose imaginary part is omitted).
  • the probe has a grid or diffraction net with a thickness of 30 nm, a period of 500 nm and a duty cycle of 0.5.
  • the waveguide 501 of the probe had a thickness of 150 nm and a refractive index of 2.03. The angle of incidence was calculated in the air.
  • Figure 5d shows the reflection against the angle of incidence for a different waveguide specimen (figure 5c). The situation is similar to that shown in Figure 5b. Just an abnormal reflection peak is distinguished, close to 39.25 °. The difference between the graphs (figures 5b and 5d) is in both cases the acceptance angle (in English, "acceptance angle") of the grid or diffraction net. In Figure 5b, the reflection peaks are much narrower, which is attributed to the lower contrast of the refractive index of the corrugation (0.62 compared to 1, 03).
  • the resolution of this structure is better.
  • the thickness of the waveguide in which the resonance reflection is reduced changes, the corresponding excitation angle is still around 39.25 °.
  • the width of each peak is approximately 0.05 °.
  • FIG. 5e the resonance reflection curves are presented for the zero order mode and the first order mode.
  • a probe mounted on a waveguide with a refractive index of 2.03 is deposited on top of silica (with a thickness of 2 ⁇ m) located on a silicon substrate (with an index of 3.88, part imaginary omitted).
  • the probe has a grid or net with a thickness of 30 nm, a period of 500 nm and a duty cycle of 0.5. It is assumed that
  • the waveguide of the probe has a thickness of 150 nm and a refractive index of 2.03.
  • the angle of incidence was calculated in the air.
  • the solid circles represent the situation in which the index of the waveguide specimen is 2.03, the hollow circles represent the situation in which the index of refraction of the specimen of Guiaonda is 2.00.
  • the striped line represents a wave whose thickness is 150 nm, the dotted line represents a wave whose thickness is 175 nm.
  • the solid line represents a waveguide with a thickness of 200 nm.
  • the grid or diffraction net is that of Figure 5c.
  • Figure 5f shows the angles of excitation against the parameters of the waveguide sample.
  • a probe was mounted on a waveguide deposited on a silica buffer (with a thickness of 2 ⁇ m) located on a silicon substrate (with an index of 3.88, imaginary part omitted).
  • the probe has a grid or diffraction net with a thickness of 30 nm, a period of 500 nm and a duty cycle of 0.5. It is assumed that the waveguide of the probe has a thickness of 150 nm and a refractive index of 2.03.
  • the angle of incidence was calculated in the air.
  • the hollow squares represent the zero order mode, the solid squares represent the first order mode.
  • the grid or diffraction net is that of Figure 5c.
  • the index of refraction of the waveguide of the specimen affects both modes, but the zero order mode is more strongly affected (32-42 ° / RIU) compared to the first order mode (22-27 ° / RIU).
  • the thickness affects the first order mode (0.07-0.093 ° / nm) more than the zero order mode (0.028-
  • Figure 5h shows the reflection of a probe mounted on a waveguide implanted with a thickness of 250 nm and a refractive index of 1.5 deposited on a buffer ("buffer") of silica (with a thickness of 1.75 ⁇ m) located on a silicon substrate (with an index of 3.88, imaginary part omitted).
  • the probe has a grid or diffraction net with a thickness of 30 nm, a period of 500 nm and a duty cycle of 0.5. It is assumed that the probe waveguide has a thickness between 100 and 150 nm and a refractive index of 2.03. The angle of incidence was calculated in the air.
  • Figures 6a and 6b describe cross-sectional views of an experiment based on the embodiment of Figure 3, in which a diffraction net coupler is fixed to a layer of bulky material 630 630 '.
  • Figures 6a and 6b show two experiments on the characterization of the index of refraction of bulky materials:
  • the grid or diffraction net is located on the side of the waveguide not surrounded by polymer film 620, while in Ia Figure 6b the grid or net is located on the side of the waveguide surrounded by the polymer film 620 '.
  • the sensitivity is higher in Figure 6b, since in this case the angle of acceptance of the grid or diffraction net is smaller.
  • Figure 6c shows the sensitivity of the excitation angle on the refractive index of the specimen.
  • the solid squares represent a 20 nm grid or diffraction net, a 100 nm waveguide and the grid or diffraction grid of Figure 6b.
  • the hollow squares represent one of 20 nm diffraction or network, a 100 nm waveguide and the grid or diffraction grid of Figure 6a.
  • the solid triangles represent a grid or diffraction network of 30 nm, a waveguide of 100 nm and the grid or diffraction network of Figure 6b.
  • the hollow triangles represent a grid or diffraction network of 30 nm, a waveguide of 150 nm and the grid or diffraction network of Figure 6b.
  • the excitation angles and acceptance angles of the probe mounted on the bulky substrate are calculated with a refractive index n, from which the sensitivity represented in Figure 6c is also calculated as the change in the excitation angle by unit of change in refractive index:
  • the resolution is defined as the ratio SenP n ' a ⁇ ue ® acc is the angle of acceptance of the grid or diffraction net measured at the full width of the average height (in English, "full width of half maximum", FWHM ).
  • Figure 6d shows the resolution in the definition of the index of refraction of the specimen versus the index of refraction of the specimen.
  • the solid squares represent a 20 nm grid or diffraction grid, a 100 nm waveguide and the grid or diffraction grid of figure 6a.
  • the hollow squares represent a 20 nm grid or diffraction grid, a 100 nm waveguide and the grid or diffraction grid of Figure 3.
  • the solid triangles represent a 30 nm grid or diffraction grid, a 100 nm waveguide and the grid or diffraction net of Figure 6a.
  • the hollow triangles represent a grid or diffraction network of 30 nm, a waveguide of 150 nm and the grid or diffraction network of Figure 6a.
  • the refractive index of bulky materials can be measured with an accuracy greater than 0.0025 if the probe with the appropriate parameters is used.
  • the thickness of the probe should tend to the thickness corresponding to
  • the boundary condition of the waveguide probe placed on the specimen is a set of parameters (for example, refractive index and thickness) beyond which a waveguide can no longer be excited.
  • a waveguide with a refractive index of 2.0 deposited on a silica substrate cannot be excited (it cannot propagate the light) if its thickness is below approximately 70 nm.
  • FIG. 7a A cross-sectional view of the manufactured device is shown in Figures 7a, 7b, 7c, 7d and 7f.
  • Figure 7f shows a top view of the device once manufactured.
  • the manufacture of the coupler was as follows:
  • the present invention provides a method of characterization (for example, measurement of certain parameters, such as the complex refractive index) of a specimen (such as a bulky material or a thin film material deposited on a substrate or a stack of thin films deposited on a substrate), comprising stages of: mounting a waveguide probe or a diffraction net coupler manufactured according to the procedure already explained on a specimen 230 330 430, pressing the soft film 220 320 420 of the diffraction net coupler 200 300 400 against the specimen 230 330 430; providing the excitation of at least one waveguide mode in the waveguide 201 301 401 comprised in the diffraction network coupler 200 300 400, illuminating the diffraction network coupler with a beam of light emitted by a laser; sweeping the angles of incidence of the beam of light emitted on the grid or diffraction grid of the waveguide that forms the probe; registration of excitation angles of waveguide modes; calculation of a certain parameter using existing modeling techniques.
  • a probe was mounted on a previously cleaned substrate, preferably a substrate of a hard material, and more preferably on BK7 glass and PMA substrates.
  • the diffraction network coupler is referred to as 800.
  • the excitation of the probe was carried out from the substrate for both TE and TM polarizations.
  • the excitation was more efficient when the light from a laser 850 was focused with an 860 lens.
  • an 860 lens with a focal length of 75 mm was applied. A beam diameter greater than 1.5 mm is necessary (and a numerical aperture greater than 0.01 is necessary).
  • Figure 8 shows the experiment.
  • the excitation can be observed using a CCD matrix.
  • the excitation is accompanied by anomalies in the transmission.
  • the black line in the center of the transmitted point corresponds to the excitation of the probe with the angle Q 0 .
  • Figures 9a-9c show the transmission of the probe of the diffraction grid or grid against the angle of incidence for the TE polarization. It is assumed that the probe has a waveguide 901 with a thickness of 150 nm and an index of 2.03.
  • the depth of the grid or diffraction network of 30 nm of the probe is assumed to have rectangular grooves with a duty cycle of 0.5, a period of 500 nm and an index of 2.03.
  • Figure 10a a laser 1050, a lens 1060, a diffraction network coupler 1000 and a camera 1080 are illustrated.
  • Figure 10b represents the out of resonance mode and
  • Figure 10c represents the resonance mode.
  • the image was scanned using a low resolution webcam.
  • the black line in the second image corresponds to the minimum in the graph of figure 9a.
  • the wave probe 1000 was mounted on the glass substrate (figure 10a) following the assembly process illustrated in photographs 1 Od, 10e, 10f and 10g, which show the evolution of the fixing of the probe to the glass surface, which in this experiment was BK7.
  • the photographs were taken after 9 minutes (figure 10d), 26 minutes (figure 10e), 29 minutes (figure 10f) and 82 minutes (figure 10g).
  • the 10d, 10e, 10f and 10g photographs were taken with an optical microscope.
  • the polymer film formed on the surface may not be flat. This may be caused by the tensions produced during the placement of the film on the substrate. This can affect the measurements, causing uncertainty in the angular measurements and probably producing a prism-like effect.
  • Figure 1 in which a non-flat polymer film is illustrated:
  • the problem of non-planarity was solved using a glass plate placed on the upper surface of the PDMS film.
  • the perfect parallel surface was not created but at least a flat surface with a known internal angle was obtained.
  • the refractive index of the PDMS film was measured using the total internal reflection (IRR) of the BK7 glass prism interface - PDMS film.
  • the IRR is produced at 37.48 °, which corresponds to a refractive index of 1,413 (for the verification of the procedure the air refractive index was measured, the IRR was produced at -5.60 ° corresponding to the index of 1,001, thus the accuracy of the measurements was 10 ⁇ 3 ).
  • the coupling is produced on a compound waveguide formed by a diffraction net probe and a flat waveguide (see figure 5a).
  • the excited wave is confined according to the parameters of the complex structure.
  • the distribution of the waveguide without the coupler is different and there are some losses at the end of the coupling element. The losses are defined by the superposition of the distributions of the electric fields of both waveguides.
  • the distributions of the fields in waveguide mode should coincide as much as possible.
  • the Thickness of the coupler waveguide should be minimized. If strong coupling at close range is necessary, then a strong modulation of the refractive index should be provided. Thus, it is better to place the grid or diffraction net in the lower part of the probe.
  • the solid curve refers to a 100 nm thick probe with a grid or diffraction net having a depth of 30 nm, a duty cycle of 0.5 and a periodicity of 500 nm.
  • the striped curve refers to the cover only with PDMS, without the probe.
  • the dotted curve refers to a 50 nm probe with the same grid or diffraction grid parameters.
  • the other group of couplers was placed on a small chip (3x7 mm 2 ) with a set of rod waveguides ("rib waveguides").
  • the chips were aligned so that several couplers coincided with the waveguides, which have a thickness of 180 nm and a rod height (-rib ") of 140 nm.
  • the excitation outside the plane of the same waveguide on the same grid or diffraction net was carried out using a beam of light focused by means of a flat-convex lens with a focal length of 75 mm.
  • the numerical aperture and size of the spot in the focus was 0.33 and 12 ⁇ m respectively.
  • the maximum coupling efficiency of 5% was obtained when the fundamental mode of TE polarization was excited. Although the efficiency obtained can be considered low, it can be increased by an appropriate design of the coupler and by optimizing the parameters of the focusing optics.
  • the excitation length of the structure used in the experiment is 50 ⁇ m, that is, the point size along the wavelength must be adjusted to this value. Then, the coupling efficiency is expected to increase by a factor of three.
  • the excitation angles were found for both TE and TM polarizations.
  • the excitation modes occurred in the first order diffraction at 37 ° 40 '(zero order mode), 23 0 OO' (first order mode) in the case of TE polarization and at 32 ° 10 '(zero order mode), 17O0' (first order mode ) in the case of polarized light TM.
  • the calculations of the waveguide parameters corresponding to the propagation constants gave a refractive index of 2,044 and a thickness of 168 nm. These parameters correspond to the magnitudes measured by the ellipsometer (2.03 for the refractive index and 180 nm for the thickness), which demonstrates the capacity of the procedure for the characterization of thin films.
  • the invention describes a new generic hybrid system that combines the coupling of a diffraction element with PDMS.
  • the mounting technique allows precise positioning of the couplers in integrated optical circuits.
  • the experimental results have confirmed the validity of the proposed configuration both for the characterization of the materials used and for the coupling of light inside / outside in an IOC. Additional optimization of internal couplers is necessary.
  • the procedure is robust, reliable and conceptually simple to be used in integrated optical circuits.
  • probes can be designed and manufactured for each particular task and application.
  • couplers can be placed on a single PDMS chip. All waveguides and optical circuitry can be manufactured and adhered to the other substrate made of hard material or light elastomer film.
  • the combination of DGCs and microfluidic systems prepared on PDMS with an IOC is promising for detection applications.
  • Devices manufactured using silicon technologies can be transferred on transparent substrates that replace the technology of manufacturing photonic devices on glass substrates.

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Abstract

Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) que comprende una guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) con una primera superficie (102, 202, 302, 402) y una segunda superficie (103, 203, 303, 403) opuesta a dicha primera superficie (102, 202, 302, 402), donde dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) tiene una red de difracción (110, 210, 310, 410) en una de dichas superficies. Adicionalmente comprende una película de polímero blando (120, 220, 320, 420) depositada sobre y fijada a dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401), donde dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) rodea parcialmente dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401), siendo así el acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) montable sobre y temporalmente adherible a un espécimen (230, 330, 430) mediante la fijación de dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) a dicho espécimen (230, 330, 430).

Description

ACOPLADOR DE RED DE DIFRACCIÓN. SISTEMA Y PROCEDIMIENTO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a dispositivos ópticos y, más en particular, a acopladores de red de difracción.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las rejillas o redes de difracción (del inglés, "grating") ópticas frecuentemente se usan para Ia excitación fuera del plano de modos de guiaonda. La luz acoplada se puede usar a continuación para propósitos diversos, tales como para transportar Ia energía electromagnética a Io largo de Ia guiaonda o para Ia caracterización de película delgada (del inglés, "thin film") por el denominado método "m-line". La excitación del modo de Ia guiaonda tiene lugar a un ángulo de incidencia muy específico que depende de los parámetros del sistema que comprende una estructura de difracción y una estructura de guiaonda.
Se han descrito diferentes formas de llevar a cabo Ia excitación fuera del plano de modos de Ia guiaonda, ya sea en rejillas o redes de difracción de difracción (del inglés, "diffraction gratings") embebidas en guiaondas o montadas sobre ellas o por medio de acopladores de prisma (del inglés, "prism couplers") montables, por ejemplo, por R. Ulrich y col., en "Measurement of Thin Film Parameters with a Prism Coupler", Appl. Opt. 12, 2901 -2908 (1973) o por S.
Monneret y col., "m-lines technique: prism coupling measurements and discussion of accuracy for homogeneous waveguides", J. Opt. A 2, 188-195 (2000).
Los acopladores de prisma, a pesar de su fiabilidad y su eficacia, tienen varias desventajas: el índice de refracción del prisma debe ser más alto que el índice de propagación efectivo del modo excitado. Este factor no permite utilizar prismas para el acoplamiento de luz en las guiaondas hechas de materiales con un elevado índice de refracción. Además, los prismas son voluminosos. Un prisma que se puede usar para trabajar con muchos chips consecutivamente, pero Ia integración de varios prismas en cada chip de pequeño tamaño para Ia fabricación en discontinuo es impracticable.
La longitud típica de los acopladores de red de difracción (del inglés, diffraction grating couplers, DGC) no supera los 100 μm, Io cual proporciona Ia capacidad de integrar muchos de ellos dentro de una pequeña área de unos pocos milímetros cuadrados. La excitación de un modo de Ia guiaonda en una rejilla o red de difracción poco profunda (con una profundidad de unas decenas de nanómetros) tiene lugar en un intervalo muy estrecho de ángulos de incidencia. El ángulo de excitación puede variar más de 10'1 grados en respuesta a una variación de 10'2 en el índice de refracción de una guiaonda o de Ia capa de revestimiento (del inglés,
"cladding layer"). Esta propiedad se usa eficazmente en sensores y se puede aplicar a Ia caracterización de guiaondas. La determinación del índice de refracción complejo (del inglés, "complex refractive index") y el grosor de una guiaonda se pueden llevar a cabo tal como se realiza en el método "m-line" para el acoplamiento del prisma.
El problema principal con los acopladores de red de difracción de alta calidad es Ia complejidad de su fabricación, tal como Ia precisión elevada, Ia litografía de resolución submicrométrica, Ia caracterización de cada rejilla o red de difracción, Ia compatibilidad de las tecnologías para Ia fabricación de una corrugación con periodicidad submicrométrica y un sistema de circuitos de onda de luz en Ia misma muestra. Estos problemas incrementan los costes y complican Ia fabricación de guiaondas con las rejillas o redes de difracción embebidas. La fabricación de Ia corrugación en cada muestra, especialmente para Ia caracterización, es muy cara y laboriosa. Además, una vez fabricada, Ia rejilla o red de difracción no puede ser extraída de Ia guiaonda. Además, las redes de difracción generalmente poseen una baja eficacia de acoplamiento, a menos que se aplique un perfil de corrugación complicado o una estructura multicapa, Io cual es difícil de lograr con rejillas o redes de difracción embebidas en las guiaondas. Se ha informado de algunos intentos por R. Orobtchouk y col., en "High-efficiency light coupling in a sub-micrometric silicon- on- insulator waveguide", Appl. Opt. 39, 5773- 5777 (2000), por S. Ura y col., en "Efficiency enhanced third order grating coupler", Appl. Opt. 38, 3003-3007 (1999) y por N. Destouches y col., en "99% efficiency measured in the - 1 st order of a resonant grating", Opt. Express 13, 3230-3235 (2005).
Por otra parte, el PDMS, un elastómero viscoelástico de silicona, se usa ampliamente para litografía suave y se ha aplicado para Ia fabricación de dispositivos ópticos, incluyendo redes de difracción extensibles, como ha comunicado A.N. Simonov y col., en "Light scanner based on a viscoelastic stretchable grating", Opt. Lett. 30, 949-951 (2005).
Las rejillas o redes de difracción de elastómero puro han sido presentadas recientemente por Kocabas y col., en "High-refractive-index measurement with an elastomeric grating coupler", Opt. Lett. 30, 3150-3152, en donde se describe una impresión elastomérica que tiene una estructura de rejilla o red de difracción en su superficie (2005). Tales rejillas o redes evitan Ia fabricación de los acopladores embebidos en los circuitos ópticos integrados (del inglés, "integrated opitcal circuits", IOC). Su fabricación fue como sigue: se vertió polidimetilsiloxano líquido sobre un molde consistente en una rejilla o red de difracción maestra preparada por litografía de interferencia sobre una oblea de silicio (PDMS). Se colocó una oblea pulida sobre Ia superficie superior. Después de curar el PDMS líquido, Ia impresión elastomérica de Ia rejilla o red se desprendió de Ia superficie de silicio. La técnica presentada sirve para medir un índice de refracción elevado de guiaondas planas de silicio sobre aislante (del inglés, "silicon-on-insulator", SOI) y permite que Ia impresión elastomérica se extraiga sin dañar Ia superficie de Ia guiaonda.
Sin embargo, este procedimiento tiene desventajas heredadas de Ia elasticidad del polímero, como ha comunicado Y. Xia y col., en "Soft Lithography", Angew Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998): La periodicidad de Ia corrugación se puede distorsionar por varios factores, como Ia contracción térmica, el colapso lateral y otros. Como consecuencia, Ia rejilla o red de difracción debe ser Io suficientemente gruesa para evitar el colapso de Ia corrugación. Otra desventaja es que el índice de refracción del elastómero es fijo y bajo. Como resultado de esto, si Ia rejilla o red de difracción está diseñada para el acoplamiento de luz dentro o fuera de Ia guiaonda, se producen longitudes de excitación del acoplador relativamente grandes, especialmente con un elevado confinamiento del modo.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención trata de resolver los problemas mencionados anteriormente por medio de un acoplador de red de difracción que tiene una guiaonda fabricada de materiales ópticos duros, una red y una parte de polímero blando con el fin de fijar o montar Ia guiaonda en un substrato o en el espécimen que ha de medirse o caracterizarse. Así, según Ia presente invención, se usa un elastómero sólo con el propósito del montaje. El dispositivo y el procedimiento aseguran un contacto bueno y reproducible del IOC con el acoplador de red de difracción fabricado separadamente. La guiaonda y Ia red pueden estar especialmente diseñadas, fabricadas en discontinuo, fijadas a una película de polímero blando (como polidimetilsiloxano), cuidadosamente caracterizadas y luego instaladas sobre el substrato o espécimen que ha de caracterizarse.
Un aspecto de Ia invención se refiere a un acoplador de red de difracción que comprende una guiaonda óptica con una primera superficie y una segunda superficie opuesta a dicha primera superficie, donde dicha guiaonda óptica tiene una red de difracción en una de dichas superficies,. El acoplador adicionalmente comprende una película de polímero blando depositada sobre y fijada a dicha guiaonda óptica, donde dicha película de polímero blando rodea parcialmente dicha guiaonda óptica y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guiaonda óptica, siendo así el acoplador de red de difracción montable sobre y temporalmente adherible a un espécimen mediante Ia fijación de dicha película de polímero blando a dicho espécimen.
La película de polímero blando está hecha de poli(dimetilsiloxano).
Preferentemente, cuando el acoplador está montado sobre dicho espécimen, no hay hueco de aire entre dicho acoplador de red de difracción y dicho espécimen.
Preferentemente, Ia red de difracción comprende una pluralidad de crestas, siendo controlables dichas crestas según un ángulo de incidencia de Ia luz. Dichas crestas son preferentemente de forma rectilínea.
La red de difracción está preferentemente caracterizada por: el índice de refracción de dichas crestas, el índice de refracción de los huecos entre dichas crestas, su grosor, el perfil de dichas crestas y su período. La red de difracción está preferentemente diseñada de tal manera que su período satisface una condición de correspondencia de fase para Ia excitación de al menos un modo de propagación TE y un modo de propagación TM.
En una realización particular, Ia guiaonda óptica comprende al menos una capa. Esta guiaonda óptica puede ser una guiaonda plana. Esta guiaonda óptica puede estar hecha de al menos un material óptico duro. La guiaonda óptica está preferentemente caracterizada por su índice de refracción y su grosor.
La red de difracción está preferentemente grabada químicamente sobre dicha guiaonda óptica. La red de difracción está preferentemente hecha de un material diferente del material del que está hecha Ia capa de Ia guiaonda sobre Ia que se graba químicamente dicha red de difracción.
En otro aspecto de Ia presente invención, se proporciona un sistema para Ia caracterización de un espécimen, que comprende: un acoplador de red de difracción como el anteriormente mencionado; un espécimen en el que está montado dicho acoplador de red de difracción por medio de Ia película de polímero blando de dicho acoplador de Ia red de difracción; y una fuente de luz para iluminar dicho acoplador de red de difracción; en el que dicho acoplador de red de difracción está configurado para acoplar luz procedente de dicha fuente de luz a dicho espécimen, excitando así al menos un modo en Ia guiaonda comprendida en dicho acoplador de red de difracción.
Preferentemente, el espécimen es un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
La presente invención también proporciona el uso del acoplador de red de difracción ya mencionado para medir el índice de refracción de un espécimen, siendo dicho espécimen un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o una pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
La presente invención también se refiere a un procedimiento de caracterización de un espécimen, que comprende las siguientes etapas: montar un acoplador de red de difracción sobre un espécimen, presionando Ia película de polímero blandode dicho acoplador de red de difracción contra dicho espécimen; excitar al menos un modo en Ia guiaonda comprendida en dicho acoplador de red de difracción iluminando dicho acoplador de red de difraccióncon un haz de luz emitido por un láser; barrer los ángulos de incidencia de dicho haz de luz emitida sobre dicho acoplador de red de difracción; registrar los ángulos de excitación de los modos de Ia guiaonda; calcular un cierto parámetro del espécimen usando técnicas de modelado. Preferentemente, el espécimen es un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
Las ventajas de Ia invención propuesta serán evidentes por Ia descripción que sigue.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS
Para completar Ia descripción y para proporcionar una mejor comprensión de Ia invención, se suministra un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de Ia descripción e ilustran una forma de realización preferida de Ia invención, Io cual no se debería interpretar como una restricción del alcance de Ia invención, sino simplemente como un ejemplo de cómo se puede realizar Ia invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras: La figura 1 muestra una sección transversal de un acoplador de red de difracción según una realización de Ia presente invención.
La figura 2 muestra una vista de Ia sección transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de difracción según Ia presente invención. La figura 3 muestra una vista de Ia sección transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de difracción según Ia presente invención. La figura 4 muestra una vista de Ia sección transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de difracción según Ia presente invención.
Las figuras 5a a 5h ilustran un experimento basado en Ia figura 2. Las figuras 6a a 6d ilustran un experimento basado en Ia figura 3. Las figuras 7a a 7f muestran un ejemplo de fabricación del acoplador de red de difracción de Ia invención.
La figura 8 muestra un ejemplo de una configuración para Ia caracterización de Ia sonda.
Las figuras 9a a 9c muestran Ia transmisión de una sonda de red frente al ángulo de incidencia para Ia polarización TE (9a), Ia imagen del punto producido por Ia luz transmitida a través de Ia sonda (9b) y Ia vista de Ia sección transversal de Ia estructura usada en el experimento (9c).
Las figuras 10a-I Oc muestran un experimento de excitación de una sonda de Ia guiaonda y las imágenes del punto producido por Ia luz transmitida a través de Ia sonda en Ia resonancia y fuera de Ia resonancia.
Las figuras 10d-I Og muestran el proceso de montaje del acoplador de Ia figura
10a sobre un sustrato de vidrio. Se muestra Ia evolución de Ia sonda que se adhiere a Ia superficie de vidrio.
La figura 1 1 muestra un ejemplo de Ia película de polímero. La figura 12 muestra una demostración del acoplamiento de luz fuera del plano en una guiaonda de varillas (del inglés, "rib waveguide") usando el sistema híbrido propuesto DGC-PDMS.
La figura 13 muestra las distribuciones modales del campo eléctrico construido para una guiaonda de nitruro de silicio con y sin sonda montada sobre ella.
DESCRIPCIÓN DE FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN
En el contexto de Ia presente invención, se deben considerar las siguientes definiciones:
Polímeros blandos (del inglés, "sofá polymers"): polímeros amorfos que, por encima de su temperatura de transición, sus propiedades mecánicas son similares a aquéllas del caucho. En otras palabras, los polímeros blandos tienen, por encima de su temperatura de transición, Ia propiedad de elasticidad. Gracias a esta propiedad, es posible un movimiento segmental considerable. Así, los polímeros blandos se pueden utilizar como adhesivo temporal.
Material óptico duro: El material que, por debajo de su temperatura de transición de vidrio, permite Ia propagación de luz sin pérdidas. Ejemplos no limitativos de materiales ópticos duros son óxido de silicio, nitruro de silicio, óxido de titanio, óxido de tantalio y vidrio.
Material voluminoso (del inglés, "bula material"): Es un material que tiene un espesor muy superior a Ia longitud de onda de Ia luz que potencialmente puede viajar a través de él. No se observan fenómenos de interferencia cuando Ia luz se propaga a través de materiales voluminosos.
Modo TE (transversal eléctrico): modo que no presenta campo eléctrico en
Ia dirección de propagación.
Modo TM (transversal magnético): modo que no presenta campo magnético en Ia dirección de propagación.
La implementación de Ia presente invención puede llevarse a cabo como sigue:
La figura 1 muestra una sección transversal de un acoplador de red de difracción (del inglés, "diffraction grating coupler") 100 según una realización de Ia presente invención. Comprende una guiaonda óptica 101 que tiene una red de difracción 1 10. La guiaonda 101 puede ser una guiaonda monocapa o una guiaonda multicapa (formada por una pila de capas).
La red o rejilla de difracción 1 10 puede estar embebida en o fijada a Ia guiaonda 101 . La red 1 10 es una estructura de formaciones en crestas paralelas 1 12, a Io largo de una porción o a Io largo de toda Ia superficie de Ia guiaonda 101. Las crestas 1 12 se pueden denominar "dientes", mientras que el espacio 1 1 1 entre las crestas 1 12 se puede denominar "huecos" 1 1 1. La red 1 10 está definida por medio de una pluralidad de crestas o dientes
1 12, cada uno de ellos que está separado por los respectivos huecos 1 1 1 . Los dientes de Ia red 1 12 están hechos de un material con índice de refracción diferente de aquel de los huecos de Ia red 1 1 1. La red 1 10 puede estar realizada sobre cualquiera de las dos superficies de Ia guiaonda 102 103.
Preferentemente, Ia guiaonda óptica 101 es una guiaonda plana. La guiaonda 101 está hecha de un material óptico duro como se ha definido previamente.
El acoplador de red de difracción 100 también comprende una película de polímero 120, a Ia cual están fijadas Ia guiaonda 101 y red 1 10. La guiaonda 101 , Ia red 1 10 y Ia película de polímero 120 forman una "guiaonda sonda" o una "sonda". La película de polímero 120 es blanda. Ejemplos poco limitativos de polímeros blandos son: poli(dimetilsiloxano) (PDMS), SU8 fotorresistente y polimetilmetacrilato
(PMMA). Preferentemente, Ia película de polímero blando está hecha de poli(dimetilsiloxano) (PDMS). Así, una guiaonda 101 hecha de material óptico duro está permanentemente fijada a una película de polímero blando 120.
La película de polímero 120 depositada sobre y fijada a Ia guiaonda 101 rodea parcialmente Ia guiaonda 101 . Como se puede observar en Ia figura 1 , Ia película de polímero 120 no rodea completamente Ia guiaonda 101 , pero deja una superficie abierta y libre.
La sonda (guiaonda 101 más red o rejilla de difracción 1 10 más película de polímero 120) tiene los siguientes parámetros: grosor de Ia guiaonda 101 , índice de refracción de Ia guiaonda 101 , profundidad de corrugación de Ia red o rejilla de difracción, período y ciclo de trabajo de Ia rejilla o red de difracción 1 10, índice de refracción del material del cual están hechas las crestas o los dientes 1 12 e índice de refracción de Ia película de polímero. El grosor de Ia guiaonda 101 preferentemente está entre 50 y 5000 nanómetros. El índice de refracción de Ia guiaonda 101 preferentemente está entre 1 ,1 y 4,1 RIU (unidades del índice de refracción). La profundidad de corrugación de Ia rejilla o red de difracción preferentemente está entre 50 y 5000 nanómetros. El período de Ia rejilla o red 1 10 preferentemente está entre 200 y 1000 nanómetros. El ciclo de trabajo de Ia rejilla o red 1 10 preferentemente está entre 0,2 y 0,8. El índice de refracción del material del que están hechos las crestas o los dientes 1 12 preferentemente está entre 1 ,1 y 4,1 RIU. El índice de refracción de Ia película de polímero 120 preferentemente está entre 1 ,1 y 2,1 RIU. El acoplador de red de difracción 100 está diseñado para ser montable sobre un sustrato o espécimen por medio de Ia película de polímero 120, que está diseñada para fijar el acoplador de red de difracción 100 a ese sustrato o espécimen. Para montarla, Ia sonda (guiaonda 101 que tiene Ia rejilla o red de difracción 1 10 más Ia película de polímero blando 120) se puede presionar contra cualquier sustrato o espécimen por su lado o superficie que tiene Ia sonda óptica abierta (o libre) (no cubierta por Ia película de polímero 120). Así Ia guiaonda sonda presionada (por medio de Ia película de polímero blando 120) contra el sustrato o espécimen puede quedarse fijada a ese sustrato o espécimen, de tal manera que no se forma ningún hueco de aire entre Ia sonda de Ia guiaonda y el sustrato o espécimen. La sonda de Ia guiaonda (guiaonda 101 que tiene Ia rejilla o red de difracción 1 10 más película de polímero blando 120) puede ser liberada del sustrato o espécimen cuando sea necesario.
Así, cuando esta estructura híbrida (Ia sonda hecha de un material duro y una película de polímero blando) se coloca sobre cualquier circuito óptico integrado (IOC), las propiedades estructurales únicas del polímero blando (por ejemplo, PDMS) aseguran que no se forme ningún hueco de aire entre el acoplador de red de difracción y el IOC, incluso si el sustrato es no plano (es decir, el PDMS se adhiere a Ia superficie). Esta condición asegura el correcto comportamiento del sistema propuesto. La elasticidad del polímero blando (por ejemplo, PDMS) permite que sea liberado de estructuras frágiles y complejas, que permite que los acopladores sean extraídos de, por ejemplo, una guiaonda, y se vuelvan a montar cuando sea necesario.
Por Io tanto, se consigue un procedimiento flexible y muy robusto para volver a usar y volver a montar rejillas o redes de difracción ("gratings"), que se puede utilizar para Ia inyección puntual de luz en el IOC y para determinar las propiedades ópticas de una capa dada.
La figura 2 muestra una vista de Ia sección transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de difracción 200 fijado a un sustrato 240 sobre el cual está localizado un espécimen 230. El propósito del experimento es caracterizar dicho espécimen 230 (por ejemplo una capa de Ia guiaonda) o acoplar luz a esta capa 230 (en este caso, el espécimen que es una guiaonda monocapa). Se asume que no hay huecos de aire entre Ia sonda y Ia superficie del espécimen (o guiaonda) 230 gracias a Ia estructura que comprende un polímero blando 220. La luz incidente a un cierto ángulo Θ sobre Ia rejilla o red 210 se acopla parcialmente al espécimen (guiaonda 230) depositado sobre el sustrato 240 y se propaga a Io largo de él. Los parámetros (grosor e índice de refracción) de Ia guiaonda 230, junto con los parámetros (grosor, índice de refracción y período de Ia o red de difracción) de Ia sonda definen los ángulos de excitación Θ de los modos de propagación permitidos para Ia propagación a Io largo de Ia estructura formada por Ia guiaonda 230 y Ia sonda (guiaonda 201 con Ia rejilla o red de difracción 210 más película de polímero blando 220). Puesto que se asume que los parámetros de Ia sonda son conocidos, conociendo entonces los ángulos de excitación se pueden encontrar los parámetros de Ia guiaonda 230 usando procedimientos convencionales evidentes para aquellos expertos en Ia materia. Esos ángulos de excitación Θ se pueden encontrar, por ejemplo, usando barrido angular y detectando el máximo de energía de luz que sale de Ia guiaonda 230 a su salida.
La sonda colocada en una guiaonda monomodo 230 que tiene un índice de refracción comparable a aquél de Ia sonda, forma una estructura de guiaonda que tiene un grosor superior al grosor de Ia guiaonda 230. Así, se pueden excitar dos modos y se puede encontrar el índice de refracción y el grosor de Ia guiaonda resolviendo el correspondiente sistema de ecuaciones de dispersión.
La figura 3 describe una vista de corte transversal de otra realización ejemplar de un acoplador de red de difracción 300 fijada a un espécimen de material voluminoso o a Ia capa 330. El índice de refracción del material voluminoso que forma Ia capa 330 define los ángulos de excitación Θ de los modos de propagación de Ia sonda de Ia guiaonda permitidos para Ia propagación en Ia estructura formada por Ia sonda y el espécimen voluminoso 330 en esta configuración. Conociendo los ángulos de excitación, se pueden encontrar los parámetros (es decir, el índice de refracción complejo) del material voluminoso 330 usando procedimientos convencionales evidentes para aquellos expertos en Ia materia. Esos ángulos de excitación Θ se pueden encontrar, por ejemplo, usando barrido angular y detectando el comportamiento anormal de Ia luz reflejada de Ia estructura formada por Ia sonda y el espécimen voluminoso 330. El propósito de este ejemplo particular es medir el índice de refracción del material voluminoso 330 o calibrar Ia sonda si se conoce el índice de refracción del material voluminoso 330.
Gracias a Ia combinación del polímero blando y Ia rejilla o red de difracción basada en un material óptico duro, el acoplador se puede usar para Ia caracterización del índice de refracción de materiales voluminosos con un índice inferior al de Ia sonda. Esto se consigue excitando Ia sonda y obteniendo el índice de refracción que se ha caracterizar del ángulo de excitación.
En cualquiera de las implementaciones ilustradas en las figuras 1 -3, Ia rejilla o red de difracción 1 10 210 310 se puede implementar en el lado superior o superficie 102 202 302 de Ia guiaonda 101 201 301 o en el lado opuesto o superficie 103 203 303 de Ia guiaonda 101 201 301.
Cuando Ia rejilla o red de difracción 1 10 210 310 está construida sobre el lado o superficie superior 102 202 302 de Ia guiaonda 101 201 301 , el índice de refracción de las crestas o dientes de Ia rejilla o red de difracción 1 12 212 312 es diferente del índice de refracción de Ia película de polímero 120 220 320, que rellena los huecos 1 1 1 21 1 31 1 entre los dientes 1 12 212 312.
Alternativamente, cuando Ia rejilla o red de difracción 1 10 210 310 está construida sobre el lado o superficie inferior (debajo) 102 202 302 de Ia guiaonda 101 201 301 , el índice de refracción de las crestas o dientes de Ia rejilla o red de difracción 1 12 212 312 debe ser diferente de aquél del medio ambiente, por ejemplo, el aire (véase figura 1 ).
En cualquiera de las implementaciones ilustradas en las figuras 1 -3, Ia excitación de los modos de Ia guiaonda se lleva a cabo mediante una luz de un láser coherente procedente de una fuente de láser, no ilustrada en las figuras.
El acoplador de red de difracción 100 200 300 de Ia invención se puede usar para Ia caracterización de las propiedades intrínsecas (tales como el grosor de Ia guiaonda y el índice de refracción) de Ia sonda de guiaonda. La guiaonda 101 201 301 que forma Ia sonda de guiaonda está hecha de un material que tiene un índice de refracción sustancialmente superior a aquél del polímero que forma Ia película de polímero blando 120 220 320. La guiaonda 101 201 301 soporta al menos un modo de propagación con polarización TE y al menos un modo de propagación con polarización TM para permitir Ia resolución del sistema de ecuaciones de dispersión y así permitir Ia caracterización de Ia sonda.
La sonda que forma el acoplador de red de difracción 100 200 300 de Ia invención también se puede usar para Ia caracterización del índice de refracción de materiales voluminosos, siguiendo Ia implementación de Ia figura 3. En esta forma de realización, Ia estructura formada por el acoplador de red de difracción 300 (guiaonda 301 con Ia rejilla o red de difracción 310 más Ia película de polímero blando 320) más Ia capa de material voluminoso 330 soporta al menos un modo de polarización TE y/o un modo de polarización TM. Como es evidente para un experto, esto es un requerimiento necesario para excitar el modo de propagación en Ia sonda y a continuación averiguar el índice de refracción del material voluminoso 330. En este caso, el índice de refracción de Ia guiaonda 301 debe ser mayor que el índice de refracción del material que se ha de caracterizar (material voluminoso 330). El periodo de Ia rejilla o red de difracción 310 se elige para proporcionar Ia excitación de Ia estructura. Esto significa que el período de Ia rejilla o red de difracción 310 se debe elegir de forma adecuada. Si el periodo no se elige de forma adecuada, no habrá excitación de Ia sonda de Ia guiaonda observada y no se podrá determinar el índice de refracción.
La sonda que forma el acoplador de red de difracción 100 200 300 de Ia invención también se puede usar para Ia caracterización de una película delgada (del inglés, "thin film") o de una pila de películas delgadas (del inglés, "snack of thin films") depositadas sobre un sustrato. La figura 4 representa esta realización, en Ia que Ia estructura formada por el acoplador de red de difracción 400 (guiaonda 401 con una rejilla o red de difracción 410 más una película de polímero blando 420) más Ia película delgada o pila de películas delgadas 430 más el sustrato 440 soporta al menos un modo de propagación de polarización TE y al menos un modo de propagación de polarización TM. De nuevo, éste es un requerimiento necesario para excitar el modo de propagación en Ia sonda. El índice de refracción de Ia guiaonda 401 puede ser superior o inferior al índice de refracción del material caracterizado (el material que forma Ia pila de películas delgadas 430) y aquél de Ia película de polímero 420. El período de Ia rejilla o red de difracción 410 se elige para proporcionar Ia excitación de Ia estructura de Ia guiaonda. Ese periodo se debe elegir de forma adecuada. Si el periodo no se elige de forma adecuada, no habrá excitación de Ia sonda de Ia guiaonda observada y no se podrá determinar el índice de refracción.
Alternativamente, Ia sonda que forma el acoplador de red de difracción también se puede diseñar y usar para Ia caracterización de guiaondas ópticas. Esto también se ilustra en Ia figura 4, en Ia que se ha de caracterizar Ia guiaonda 430. En esta realización, Ia estructura formada por Ia sonda de guiaonda (guiaonda 401 con Ia rejilla o red de difracción 410 más película de polímero blando 420) más Ia película delgada o pila de películas 430 (Ia guiaonda que se ha de caracterizar) más el sustrato 440 soporta al menos un modo de propagación de polarización TE y al menos un modo de propagación de polarización TM. La sonda puede estar diseñada para el acoplamiento de luz en una guiaonda óptica.
Nótese que Ia razón por Ia que el polímero que forma Ia película de polímero
120 220 320 420 de cualquiera de las realizaciones previas debe ser blando es que, al contrario que otros tipos de polímeros, las películas elastoméricas se pueden adaptar fácilmente a Ia forma de Ia superficie a Ia cual es necesario fijarlas. En este sentido, las sondas de guiaonda que comprenden una película 120 220 320 420 de polidimetilsiloxano (PDMS) y una guiaonda hecha de un material óptico duro son apropiadas para ser fijadas a un espécimen 230 330 430.
Así, las sondas de guiaonda que comprenden un material de película blando
120 220 320 420 permiten construir acopladores de red de difracción que son montables: Esto es debido a las propiedades de unión y de separación de Ia película de polímero blando 120 220 320 420 comprendida en Ia sonda de guiaonda.
En Io que se refiere a Ia fabricación de Ia rejilla o red de difracción 1 10 210 310 410, preferentemente se realiza embebiéndola en Ia guiaonda 1 10 210 310
410. Para este propósito, se puede usar ataque o grabado químico (del inglés, "etching") en seco o en mojado combinado con litografía.
A continuación, se muestran varios ejemplos del uso del acoplador de red de difracción 100 200 300 400:
La figura 5a muestra un experimento de un acoplador de red de difracción fijado a una guiaonda a su vez depositada sobre un tope o amortiguador (del inglés, "buffer") y un sustrato. Corresponde a Ia realización de Ia figura 4, en Ia que se presenta una estructura que comprende dos películas delgadas 530 depositadas sobre un sustrato 540. En este experimento, Ia sonda está montada sobre una guiaonda que tiene un índice de refracción de 2,03 y un grosor de 180 nm, a su vez depositada sobre un tope ("buffer") de sílice (con un grosor de 2 μm), a su vez localizado sobre un sustrato de silicio (que tiene un índice de 3,88, y en el que se omitió Ia parte imaginaria). La sonda tiene una rejilla o red de difracción con un grosor de 30 nm, un período de 500 nm y un ciclo de trabajo de 0,5. Se asume que Ia guiaonda de Ia sonda tiene un grosor de 150 nm y un índice de refracción de 2,03. El ángulo de incidencia se calculó en el aire.
La figura 5b muestra Ia dependencia de Ia reflexión de Ia estructura con el ángulo de incidencia. Se observa una reflexión anormal cercana a Ia unidad si el ángulo de excitación está lejos del ángulo correspondiente a Ia condición de
autocolimación Ia estructura presentada en Ia figura 5a, Ia
Figure imgf000015_0001
condición de autocolimación se satisface cuando el ángulo de incidencia es de 39,25°, para una longitud de onda del láser de 633 nm. En este intervalo se observan una reflexión y un factor Q bajos.
La figura 5b muestra los resultados de simulaciones de reflexión de Ia sonda montada sobre una guiaonda con un índice de refracción de 2,03 depositada sobre tope ("buffer") de sílice (con un grosor de 2 μm) localizado sobre un sustrato de silicio (con un índice de 3,88 y cuya parte imaginaria se omitió). La sonda tiene una rejilla o red de difracción con un grosor de 30 nm, un período de 500 nm y un ciclo de trabajo de 0,5. La guiaonda 501 de Ia sonda tenía un grosor de 150 nm y un índice de refracción del 2,03. El ángulo de incidencia se calculó en el aire.
Así, el grosor de Ia guiaonda 501 se debe elegir para evitar el índice de refracción efectivo de Ia guiaonda compleja «* = sin(Θaut ) + m— .
Λ
Esta condición es válida para ambos casos: cuando Ia rejilla o red de difracción está implementada en el lado superior de Ia guiaonda 501 ' o en el lado opuesto (inferior) de Ia guiaonda 501. La figura 5d muestra Ia reflexión frente al ángulo de incidencia para un espécimen de guiaonda diferente (figura 5c). La situación es similar a Ia mostrada en Ia figura 5b. Apenas se distingue un pico de reflexión anormal, cerca de los 39,25°. La diferencia entre las gráficas (figuras 5b y 5d) es en ambos casos el ángulo de aceptación (del inglés, "acceptance angle") de Ia rejilla o red de difracción. En Ia figura 5b, los picos de reflexión son mucho más estrechos, Io que se atribuye al menor contraste del índice de refracción de Ia corrugación (0,62 comparado con 1 ,03). Así, Ia resolución de esta estructura es mejor. Aunque el grosor de Ia guiaonda en Ia que se reduce Ia reflexión de resonancia cambia, el ángulo de excitación correspondiente aún está en torno a 39,25°. La anchura de cada pico es de 0,05° aproximadamente. Así Ia resolución en el área entre 150 y 200 nm se define como (41 ,8°-40,1 °/50 nm/0,05°)'1 = 1 ,5 nm (se asume que Ia precisión de las mediciones es de 0,05° igual a Ia anchura angular del pico en FWHM). La resolución en el área de 100-125 nm se define como (39,08°- 37,8°/25 nm/0,05°)"1 = 1 nm (se asume que Ia precisión de las mediciones es de 0,05° igual a Ia anchura angular del pico en FWHM).
En Ia figura 5e las curvas de reflexión de resonancia se presentan para el modo de orden cero y el modo de primer orden. Una sonda montada sobre una guiaonda con un índice de refracción de 2,03 está depositada sobre tope ("buffer") de sílice (con un grosor de 2 μm) localizado sobre un sustrato de silicio (con un índice de 3,88, parte imaginaria omitida). La sonda tiene una rejilla o red con un grosor de 30 nm, un período de 500 nm y un ciclo de trabajo de 0,5. Se asume que
Ia guiaonda de Ia sonda tiene un grosor de 150 nm y un índice de refracción del 2,03. El ángulo de incidencia se calculó en el aire. Los círculos sólidos representan Ia situación en Ia que el índice del espécimen de guiaonda es de 2,03, los círculos huecos representan Ia situación en Ia que el índice de refracción del espécimen de guiaonda es de 2,00. La línea rayada representa una guiaonda cuyo grosor es de 150 nm, Ia línea punteada representa una guiaonda cuyo grosor es de 175 nm. La línea sólida representa una guiaonda con un grosor de 200 nm. La rejilla o red de difracción es aquélla de Ia figura 5c.
La figura 5f muestra los ángulos de excitación frente a los parámetros de Ia muestra de guiaonda. Se montó una sonda sobre una guiaonda depositada sobre un tope ("buffer") de sílice (con un grosor de 2 μm) localizado sobre un sustrato de silicio (con un índice de 3,88, parte imaginaria omitida). La sonda tiene una rejilla o red de difracción con un grosor de 30 nm, un período de 500 nm y un ciclo de trabajo de 0,5. Se asume que Ia guiaonda de Ia sonda tiene un grosor de 150 nm y un índice de refracción de 2,03. El ángulo de incidencia se calculó en el aire. Los cuadrados huecos representan el modo de orden cero, los cuadrados sólidos representan el modo de primer orden. La rejilla o red de difracción es aquélla de Ia figura 5c.
El índice de refracción de Ia guiaonda del espécimen afecta a ambos modos, pero el modo de orden cero se ve afectado más fuertemente (32-42 °/RIU) comparado con el modo de primer orden (22-27°/RIU). El grosor afecta más al modo de primer orden (0,07-0,093 °/nm) que al modo de orden cero (0,028-
0,033 °/nm). Un parámetro importante es también Ia diferencia angular entre los modos, que se incrementa en 0,33°/0,01 RIU aproximadamente a medida que aumenta el índice de refracción del espécimen de guiaonda. Por tanto, si Ia precisión de las mediciones angulares está limitada por el ángulo de aceptación, que prácticamente en todos los casos es mejor que 0,1 °, entonces Ia precisión de las mediciones se puede estimar resolviendo numéricamente las ecuaciones de dispersión para el grosor y el índice de refracción. Los resultados de las simulaciones se presentan en Ia figura 5g. Los ángulos, 40,07 y 17,4°, correspondientes a Ia excitación del modo de guiaonda para una guiaonda con un índice de refracción de 2,03 y un grosor de 150 nm se tomaron de Ia figura 5f. Los puntos marcados por los cuadrados sólidos se calcularon usando Ia aproximación de Ia matriz de transferencia tomando Ia desviación angular de 0,1 ° tanto en Ia dirección positiva como negativa de los valores reales.
Finalmente, Ia figura 5h muestra Ia reflexión de una sonda montada sobre una guiaonda implantada con un grosor de 250 nm y un índice de refracción de 1 ,5 depositada sobre un tope ("buffer") de sílice (con un grosor de 1 ,75 μm) localizado sobre un sustrato de silicio (con un índice de 3,88, parte imaginaria omitida). La sonda tiene una rejilla o red de difracción con un grosor de 30 nm, un período de 500 nm y un ciclo de trabajo de 0,5. Se asume que Ia guiaonda de Ia sonda tiene un grosor entre 100 y 150 nm y un índice de refracción de 2,03. El ángulo de incidencia se calculó en el aire.
Las figuras 6a y 6b describen vistas de corte transversal de un experimento basado en Ia realización de Ia figura 3, en Ia que un acoplador de red de difracción está fijado a una capa de material voluminoso 630 630'.
Las figuras 6a y 6b muestran dos experimentos sobre Ia caracterización del índice de refracción de materiales voluminosos: En Ia figura 6a Ia rejilla o red de difracción está localizada en el lado de Ia guiaonda no rodeado por Ia película de polímero 620, mientras que en Ia figura 6b Ia rejilla o red está localizada en el lado de Ia guiaonda rodeado por Ia película de polímero 620'. La sensibilidad es superior en Ia figura 6b, puesto que en este caso el ángulo de aceptación de Ia rejilla o red de difracción es más pequeño.
La figura 6c muestra Ia sensibilidad del ángulo de excitación sobre el índice de refracción del espécimen. Los cuadrados sólidos representan una rejilla o red de difracción de 20 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6b. Los cuadrados huecos representan una de difracción o red de 20 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6a. Los triángulos sólidos representan una rejilla o red de difracción de 30 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6b. Los triángulos huecos representan una rejilla o red de difracción de 30 nm, una guiaonda de 150 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6b.
Se calculan los ángulos de excitación y los ángulos de aceptación de Ia sonda montada sobre el sustrato voluminoso con un índice de refracción n, a partir de los cuales también se calcula Ia sensibilidad representada en Ia figura 6c como el cambio en el ángulo de excitación por unidad de cambio en el índice de refracción:
Sens =
D p „ _ acc
La resolución se define como Ia relación SenPn 'a ^ue ®acc es e' ángulo de aceptación de Ia rejilla o red de difracción medido a Ia anchura completa de Ia altura media (del inglés, "full width of half máximum", FWHM). La figura 6d muestra Ia resolución en Ia definición del índice de refracción del espécimen frente al índice de refracción del espécimen. Los cuadrados sólidos representan una rejilla o red de difracción de 20 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de la figura 6a. Los cuadrados huecos representan una rejilla o red de difracción de 20 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 3. Los triángulos sólidos representan una rejilla o red de difracción de 30 nm, una guiaonda de 100 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6a. Los triángulos huecos representan una rejilla o red de difracción de 30 nm, una guiaonda de 150 nm y Ia rejilla o red de difracción de Ia figura 6a.
El índice de refracción de los materiales voluminosos se puede medir con una precisión superior a 0,0025 si se usa Ia sonda con los parámetros apropiados. Para este propósito, el grosor de Ia sonda debe tender al grosor correspondiente a
Ia condición límite de Ia guiaonda sonda colocada sobre el espécimen (material voluminoso). La condición límite es un conjunto de parámetros (por ejemplo, índice de refracción y grosor) más allá de los cuales una guiaonda no se puede excitar más. Por ejemplo, una guiaonda con un índice de refracción de 2,0 depositada sobre un sustrato de sílice no se puede excitar (no puede propagar Ia luz) si su grosor está por debajo de 70 nm aproximadamente.
A continuación se describen algunos ejemplos de fabricación. En las figuras 7a, 7b, 7c, 7d y 7f se muestra una vista del corte transversal del dispositivo fabricado. La figura 7f muestra una vista superior del dispositivo una vez fabricado.
La fabricación del acoplador fue como sigue:
Una capa de dióxido de silicio de 1 μm (SiO2) se hizo crecer térmicamente sobre un sustrato de silicio. A continuación se fabricaron redes de difracción usando Ia combinación de holografía y ataque o grabado químico ("etching") con iones reactivos. Toda Ia oblea se cubrió mediante una de difracción o red con un período = 500 nm, ciclo de trabajo = 0,5 y una profundidad = 40 nm. A continuación se depositó una capa de 150 nm de nitruro de silicio (Si3N4) con Ia técnica LPCVD. A continuación se realizó Ia definición de las sondas usando fotolitografía y ataque o grabado químico con iones reactivos (figura 7a). Posteriormente, Ia oblea se cubrió con una película prefabricada de PDMS (figura 7b). Se aplicó un ataque o grabado químico intenso con iones reactivos para formar las cavidades bajo las sondas (figura 7c). Se usó una capa de óxido de silicio como capa protectora del ataque o grabado químico. A continuación se llevó a cabo el ataque o grabado químico del sílice en una disolución de SlO-ataque químico (figura 7d). Posteriormente, Ia película se cortó con un cúter a Io largo de los surcos de Ia línea de corte definidos sobre un chip (figura 7e). Finalmente Ia pieza cortada de Ia película de PDMS se extrajo de Ia oblea junto con las sondas y se puso sobre un espécimen (figura 7f).
Adicionalmente, Ia presente invención proporciona un procedimiento de caracterización (por ejemplo, medición de ciertos parámetros, como el índice de refracción complejo) de un espécimen (como un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o una pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato), que comprende las etapas de: montaje de una sonda de guiaonda o un acoplador de red de difracción fabricado según el procedimiento ya explicado sobre un espécimen 230 330 430, presionando Ia película blanda 220 320 420 del acoplador de red de difracción 200 300 400 contra el espécimen 230 330 430; proporcionando Ia excitación de al menos un modo de guiaonda en Ia guiaonda 201 301 401 comprendida en el acoplador de red de difracción 200 300 400, iluminando el acoplador de red de difracción con un haz de luz emitido por un láser; barriendo los ángulos de incidencia del haz de luz emitido sobre Ia red o rejilla de difracción de Ia guiaonda que forma Ia sonda; registro de los ángulos de excitación de los modos de guiaonda; cálculo de un cierto parámetro usando técnicas de modelado existentes.
A continuación, se describe un ejemplo de caracterización de Ia sonda. Se montó una sonda sobre un sustrato previamente limpiado, preferentemente un sustrato de un material duro, y más preferentemente sobre vidrio BK7 y sustratos PMA. El acoplador de red de difracción se referencia como 800. La excitación de Ia sonda se llevó a cabo desde el sustrato para ambas polarizaciones TE y TM. La excitación fue más eficiente cuando Ia luz procedente de un láser 850 se enfocó con una lente 860. Para fijar el punto a un tamaño de 40 μm, se aplicó una lente 860 con una distancia focal de 75 mm. Es necesario un diámetro del haz superior a 1 ,5 mm (y es necesaria una apertura numérica superior a 0,01 ). La figura 8 muestra el experimento.
La excitación se puede observar usando una matriz de CCD. La excitación está acompañada de anomalías en Ia transmisión. La línea negra en el centro del punto transmitido corresponde a Ia excitación de Ia sonda con el ángulo Q0. Las figuras 9a-9c muestran Ia transmisión de Ia sonda de Ia red o rejilla de difracción frente al ángulo de incidencia para Ia polarización TE. Se asume que Ia sonda tiene una guiaonda 901 con un grosor de 150 nm y un índice de 2,03. La profundidad de Ia rejilla o red de difracción de 30 nm de Ia sonda se asume que tiene surcos con forma rectangular con un ciclo de trabajo de 0,5, un periodo de 500 nm y un índice de 2,03.
En el experimento de Ia figura 10a, se ilustran un láser 1050, una lente 1060, un acoplador de red de difracción 1000 y una cámara 1080. La figura 10b represente el modo fuera de resonancia y Ia figura 10c representa el modo en resonancia. La imagen se escaneó usando una cámara web de baja resolución. La línea negra en Ia segunda imagen corresponde al mínimo en Ia gráfica de Ia figura 9a.
La sonda de guiaonda 1000 se montó sobre el sustrato de vidrio (figura 10a) siguiendo el proceso de montaje ilustrado en las fotografías 1 Od, 10e, 10f y 10g, que muestran Ia evolución de Ia fijación de Ia sonda a Ia superficie del vidrio, que en este experimento era BK7. Las fotografías se tomaron después de 9 minutos (figura 10d), 26 minutos (figura 10e), 29 minutos (figura 10f) y 82 minutos (figura 10g). Las fotografías 10d, 10e, 10f y 10g se tomaron con un microscopio óptico.
Después de montar el chip con las sondas, se observan burbujas de aire entre Ia sonda de nitruro de silicio y el sustrato (puntos blancos no homogéneos). Con el tiempo, las burbujas son expulsadas por Ia presión creada por Ia película de elastómero. Así, en Ia figura 10g no se observan huecos de aire.
Según las simulaciones, se observa una dependencia significativa de Ia reflexión con el grosor de Ia capa de aire comenzando en 5 nm. Puesto que no se observaron otros cambios en Ia imagen después de 80 minutos, se concluyó que el grosor de los huecos de aire es inferior a 5 nm. La corrugación fabricada por holografía óptica no tenía una calidad perfecta puesto que algunas no uniformidades sobre las sondas se pueden atribuir a no uniformidades en Ia profundidad de Ia red de difracción. Algunas no uniformidades fueron debidas a Ia calidad de Ia superficie del sustrato que no se limpió antes del experimento.
La película de polímero formada sobre Ia superficie puede no ser plana. Esto puede estar causado por las tensiones producidas durante Ia colocación de Ia película sobre el sustrato. Esto puede afectar a las mediciones, provocando incertidumbre en las mediciones angulares y produciendo probablemente un efecto de tipo prisma. Con respecto a Ia figura 1 1 , en Ia que se ilustra una película de polímero no plana:
a2 - aoι = asin(nPDMS Sm(Cr1 - α01 )) a3 + a02 = a sin( nPDMS sin( aι + a02 ))
Si aoι = (X02 , entonces a2 + Cc3 1 / x = -{a sin( nPDMS sin( OCx - (X01 )) + a sin( nPDMS sin( (Xx + (X02 ))) El ángulo de excitación normalmente se mide en ambas direcciones positiva y negativa, y el resultado se obtiene como Ia semisuma de estos ángulos: — — - . No obstante, si a01 = a02 ≠ O , entonces el ángulo:
CC2 + a3 1 / \ = -{a sin( nPDMS sin( CC1 - CC01 )) + a sin( nPDMS sin( OCx + (X02 ))) es diferente de aquél cuando Ia superficie superior es paralela a Ia inferior. Si los ángulos son aol = aO2 ≠ O y desconocidos, entonces Ia incertidumbre en las mediciones angulares puede dar como resultado errores significativos cuando se caracterizan materiales diferentes usando el procedimiento propuesto.
El problema de Ia no planaridad se resolvió usando una placa de vidrio colocada sobre Ia superficie superior de Ia película de PDMS. No se creó Ia superficie paralela perfecta pero al menos se obtuvo una superficie plana con un ángulo interno conocido.
El índice de refracción de Ia película de PDMS se midió usando Ia reflexión interna total (TIR) de Ia interfaz prisma de vidrio BK7 - película de PDMS. La TIR se produce a 37,48°, que corresponde a un índice de refracción de 1 ,413 (para Ia verificación del procedimiento se midió el índice de refracción del aire, Ia TIR se produjo a -5,60° que corresponde al índice de 1 ,001 , así Ia precisión de las mediciones fue de 10~3).
En Ia figura 12, se presenta una demostración de acoplamiento de luz fuera del plano en una guiaonda de varillas ("rib waveguide") usando el sistema híbrido propuesto DGC-PDMS. La luz de un láser de He-Ne (632,8 nm) se enfocó sobre Ia rejilla o red de difracción por medio de una lente plano-convexa y a un cierto ángulo de incidencia se acopló a Ia guiaonda. La altura de Ia varilla ("rib") era de 4 nm mientras que Ia guiaonda tenía un grosor de 250 nm.
El acoplamiento se produce sobre una guiaonda compuesta formada por una sonda de red de difracción y una guiaonda plana (véase figura 5a). La onda excitada está confinada según los parámetros de Ia estructura compleja. La distribución de Ia guiaonda sin el acoplador es diferente y hay algunas pérdidas en el extremo del elemento de acoplamiento. Las pérdidas están definidas por Ia superposición de las distribuciones de los campos eléctricos de ambas guiaondas.
Para maximizar Ia transferencia de energía entre las guiaondas, las distribuciones de los campos en modo guiaonda deben coincidir tanto como sea posible. Así el grosor de Ia guiaonda del acoplador se debe minimizar. Si es necesario el acoplamiento fuerte a poca distancia, entonces se debe suministrar una modulación fuerte del índice de refracción. Así, es mejor situar Ia rejilla o red de difracción en Ia parte inferior de Ia sonda.
La figura 13 muestra las distribuciones modales del campo eléctrico construido para una guiaonda de nitruro de silicio (n = 2,03) con un grosor de 150 nm con y sin Ia sonda montada sobre ella. La curva sólida se refiere a una sonda de 100 nm de grosor con una rejilla o red de difracción que tiene una profundidad de 30 nm, un ciclo de trabajo de 0,5 y una periodicidad de 500 nm. La curva rayada se refiere a Ia cubierta sólo con PDMS, sin Ia sonda. La curva punteada se refiere a una sonda de 50 nm con los mismos parámetros de Ia rejilla o red de difracción.
El otro grupo de acopladores se colocó sobre un chip pequeño (3x7 mm2) con un conjunto de guiaondas de varilla ("rib waveguides"). Los chips se alinearon de manera que varios acopladores coincidían con las guiaondas, que tienen un grosor de 180 nm y una altura de Ia varilla (-rib") de 140 nm.
Tal y como se esperaba, no se observaron huecos de aire entre las rejillas o redes de difracción y las guiaondas, confirmando que el DGC está en contacto con el IOC. La luz procedente de un láser de He-Ne (632,8 nm) se acopló a las guiaondas por medio del enfoque directo con una lente objetivo (magnificación 10, apertura numérica 0,25).
La excitación fuera del plano de Ia misma guiaonda sobre Ia misma rejilla o red de difracción se llevó a cabo usando un haz de luz enfocado mediante una lente plano-convexa con una distancia focal de 75 mm. La apertura numérica y el tamaño del punto en el foco fue de 0,33 y 12 μm respectivamente. La eficacia de acoplamiento máxima del 5% se obtuvo cuando se excitó el modo fundamental de polarización TE. Aunque Ia eficacia obtenida se puede considerar baja, se puede aumentar mediante un diseño apropiado del acoplador y mediante Ia optimización de los parámetros de las ópticas de enfoque. Así, según las simulaciones, Ia longitud de excitación de Ia estructura usada en el experimento es de 50 μm, esto es, el tamaño de punto a Io largo de Ia guiaonda se debe ajustar a este valor. Entonces se espera que Ia eficacia de acoplamiento se incremente en un factor de tres.
Para determinar el índice de refracción y el grosor de Ia guiaonda descrita en Ia sección previa, se encontraron los ángulos de excitación para ambas polarizaciones TE y TM. Los modos de excitación se produjeron en el primer orden de difracción a 37°40' (modo de orden cero), 230OO' (modo de primer orden) en el caso de Ia polarización TE y a 32°10' (modo de orden cero), 17O0' (modo de primer orden) en el caso de luz polarizada TM. Los cálculos de los parámetros de Ia guiaonda correspondientes a las constantes de propagación dieron un índice de refracción de 2,044 y un grosor de 168 nm. Estos parámetros se corresponden con las magnitudes medidas por el elipsómetro (2,03 para el índice de refracción y 180 nm para el grosor), que demuestra Ia capacidad del procedimiento para Ia caracterización de películas delgadas.
En conclusión, Ia invención describe un nuevo sistema híbrido genérico que combina el acoplamiento de un elemento de difracción con PDMS. La técnica de montaje permite el posicionamiento preciso de los acopladores en circuitos ópticos integrados. Los resultados experimentales han confirmando Ia validez de Ia configuración propuesta tanto para Ia caracterización de los materiales usados como para el acoplamiento de luz dentro/fuera en un IOC. Es necesaria Ia optimización adicional de los acopladores internos. No obstante, se ha demostrado que el procedimiento es robusto, fiable y conceptualmente simple para ser usado en circuitos ópticos integrados.
En general, las sondas se pueden diseñar y fabricar para cada tarea y aplicación particular. Sobre un único chip de PDMS se pueden colocar varios acopladores. Todas las guiaondas y Ia circuitería óptica se pueden fabricar y adherirse al otro sustrato hecho de material duro o de película de elastómero ligero. La combinación de DGCs y sistemas microfluidos preparados sobre PDMS con un IOC es prometedora para aplicaciones de detección. Los dispositivos fabricados usando tecnologías de silicio se pueden transferir sobre sustratos transparentes que sustituye Ia tecnología de fabricación de dispositivos fotónicos sobre sustratos de vidrio.
En el contexto de Ia presente invención, los términos "cerca", "próximo",
"aproximadamente" y "sustancialmente" y términos de su familia (como "aproximado", etc.) se debe entender que indican valores muy próximos a aquéllos que acompañan al término mencionado. Es decir, se debe aceptar una desviación dentro de límites razonables de un valor exacto, debido a que el experto en Ia técnica entenderá que esa desviación de los valores indicados es inevitable debido a imprecisiones en Ia medición, etc.
En este texto, el término "comprende" y sus variaciones (tales como "que comprende", etc.) no se debe entender en un sentido excluyente, esto es, estos términos no se debe interpretar que excluyen Ia posibilidad de que Io que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc., adicionales. Por otra parte, obviamente Ia invención no está limitada a la(s) forma(s) de realización específica descrita en el presente documento, sino que también engloba cualquier variación que se pueda considerar por Ia persona experta en Ia materia (por ejemplo, en Io que respecta a Ia elección de los materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de Ia invención según se define en las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) que comprende una guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) con una primera superficie (102, 202, 302, 402) y una segunda superficie (103, 203, 303, 403) opuesta a dicha primera superficie (102, 202, 302, 402), donde dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) tiene una red de difracción (1 10, 210, 310, 410) en una de dichas superficies,
caracterizado por que adicionalmente comprende una película de polímero blando (120, 220, 320, 420) depositada sobre y fijada a dicha guiaonda óptica (101 , 201 ,
301 , 401 ), donde dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) rodea parcialmente dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ), siendo así el acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) montable sobre y temporalmente adherible a un espécimen (230, 330, 430) mediante Ia fijación de dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) a dicho espécimen (230,
330, 430).
2. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según Ia reivindicación 1 , en el que dicha película de polímero blando está hecha de poli(dimetilsiloxano).
3. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que, cuando está montado sobre dicho espécimen (230, 330, 430), no hay hueco de aire entre dicho acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) y dicho espécimen (230, 330, 430).
4. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410) comprende una pluralidad de crestas (1 12, 212, 312, 412), siendo controlables dichas crestas (1 12, 212, 312, 412) según un ángulo de incidencia de Ia luz.
5. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según Ia reivindicación 4, en el que dichas crestas (1 12, 212, 312, 412) son de forma rectilínea.
6. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, en el que dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410) está caracterizada por: el índice de refracción de dichas crestas (1 12, 212, 312, 412), el índice de refracción de los huecos entre dichas crestas (1 12, 212, 312, 412), su grosor, el perfil de dichas crestas y su período.
7. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según Ia reivindicación 6, en el que dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410) está diseñada de tal manera que su período satisface una condición de correspondencia de fase para Ia excitación de al menos un modo de propagación TE y un modo de propagación TM.
8. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) comprende al menos una capa.
9. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) es una guiaonda plana.
10. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) esta hecha de al menos un material óptico duro.
1 1. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ) está caracterizada por su índice de refracción y su grosor.
12. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410) es grabada químicamente sobre dicha guiaonda óptica (101 , 201 , 301 , 401 ).
13. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según Ia reivindicación 12, en el que dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410) está hecha de un material diferente del material del que está hecha Ia capa de Ia guiaonda (101 , 201 , 301 , 401 ) sobre Ia que se graba químicamente dicha red de difracción (1 10, 210, 310, 410).
14. Sistema para Ia caracterización de un espécimen, que comprende:
un acoplador de red de difracción (200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes;
un espécimen (230, 330, 430) en el que está montado dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) por medio de Ia película de polímero blando (220, 320, 420) de dicho acoplador de Ia red de difracción (200, 300, 400); y una fuente de luz para iluminar dicho acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) ,
en el que dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) está configurado para acoplar luz procedente de dicha fuente de luz a dicho espécimen (230, 330,
430), excitando así al menos un modo en Ia guiaonda (201 , 301 , 401 ) comprendida en dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400).
15. Sistema según Ia reivindicación 14, en el que dicho espécimen (230, 330, 430) es un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
16. Uso del acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para medir el índice de refracción de un espécimen, siendo dicho espécimen un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o una pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
17. Procedimiento de caracterización de un espécimen, que comprende las siguientes etapas:
- montar un acoplador de red de difracción (200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 sobre un espécimen (230, 330, 430), presionando Ia película de polímero blando (220, 320, 420) de dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) contra dicho espécimen (230, 330, 430);
- excitar al menos un modo en Ia guiaonda (201 , 301 , 401 ) comprendida en dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) iluminando dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) con un haz de luz emitido por un láser;
- barrer los ángulos de incidencia de dicho haz de luz emitida sobre dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400);
- registrar los ángulos de excitación de los modos de Ia guiaonda;
- calcular un cierto parámetro del espécimen usando técnicas de modelado.
18. Procedimiento según Ia reivindicación 17, en el que dicho espécimen (230, 330, 430) es un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
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