WO2015114184A1

WO2015114184A1 - Dispositivo óptico y método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del mismo

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Publication number: WO2015114184A1
Application number: PCT/ES2015/070008
Authority: WO
Inventors: Francisco José RODRÍGUEZ FORTUÑO; Daniel PUERTO GARCÍA; Amadeu Griol Barres; Alejandro José MARTÍNEZ ABIETAR
Original assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Current assignee: Universidad Politecnica de Valencia
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: ES2478422B1; ES2478422A1

Abstract

Este documento detalla un dispositivo óptico que presenta una nanoantena óptica anexa a una guía de onda óptica,que emite radiación al ser alimentada por alguno de sus extremos mediante luz propagándose por la guía de onda. Así mismo, describe un método que permite alimentar la nanoantena con luz con diferente amplitud y fase en cada señal alimentadora de forma que la polarización de la luz radiada venga determinada por dicha amplitud y fase de cada señal alimentadora. De esa forma se puede sintetizar cualquier polarización de la luz radiada de manera rápida, dinámica y en tiempo real de manera sencilla y eficaz.

Description

DISPOSITIVO OPTICO Y METODO DE SINTESIS DE POLARIZACION DE

RADIACION QUE HACE USO DEL MISMO

DESCRIPCION

La presente invención se refiere al campo de la óptica.

El objeto de la invención permite realizar una polarización ajustable de la radiación emitida por elemento dispersor de radiación definido por una nanoantena de manera rápida y flexible.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La emisión y / o recepción de la luz se puede lograr con el uso de nanoantenas ópticas que convierten la energía óptica confinada en radiación en el espacio libre. La polarización de la radiación emitida a espacio libre viene determinada por el movimiento del vector campo eléctrico en el plano transversal a la dirección de propagación de la onda. En el campo lejano (es decir, cuando estamos muy lejos de la fuente emisora de radiación), la radiación emitida por un nanoantena tiene una polarización dada, determinada por: el ángulo de radiación, la longitud de onda y las propiedades de la nanoestructura específica, especialmente su geometría.

Un emisor de radiación (como es el caso de una antena) radia ondas electromagnéticas cuya polarización viene dada por la forma física del emisor. Por ejemplo, un dipolo emite polarización lineal en la dirección del eje del dipolo. La misma ¡dea sirve para cualquier régimen espectral, siempre que el tamaño del radiador sea del orden de la longitud de onda de la radiación que emite.

Recientemente, han recibido gran atención las nanoantenas o antenas ópticas, destinadas a convertir luz confinada en volúmenes nanométricos en luz radiada al espacio libre (o vice versa). Debido a la pequeña longitud de onda de la luz (en torno a un micrómetro para el infrarrojo cercano), estas antenas tienen un tamaño muy pequeño, de ahí la inclusión del prefijo "nano" en su denominación. Las aplicaciones de las nanoantenas pueden ser muy vanadas, como por ejemplo, biosensado o fotovoltaica. Recientemente, matrices de cientos de nanoantenas han sido integrados en un chip de silicio, ofreciendo enormes posibilidades en los campos de las comunicaciones ópticas y la espectrometría.

En las realizaciones anteriores, la polarización de la radiación emitida una nanoantena es fija para una determinada longitud de onda dada a menos que se altere físicamente o mecánicamente la nanoestructura. Por lo tanto, el control rápido y sintonizable en la polarización de la luz concentrada por un nanoantena no ha sido conseguido hasta la fecha. En general, para cambiar la polarización de la luz emitida de forma dinámica (de forma que la polarización emitida pueda ser sintonizable), hay que alterar la forma física del emisor generalmente por medios mecánicos, lo que en general supone una alta complejidad y una baja velocidad de actuación. Además, el rango de polarizaciones que se pueden alcanzar es limitado, no siendo factible conseguir todos los puntos de la superficie de la esfera de Poincaré con un solo emisor. En la presente invención, describimos una nanoantena de doble entrada que puede sintetizar cualquier estado de polarización deseada en toda la esfera de Poincaré sintonizando adecuadamente la amplitud y fase relativas de sus dos guías de onda de alimentación. Así mismo, describimos cómo llevar a cabo dicha alimentación de la nanoantena propuesta.

Otra posibilidad propuesta hace años para generar polarizaciones arbitrarias en una antena de radiofrecuencia es mediante la excitación por dos entradas perpendiculares entre sí de una única antena de simetría cuadrada que emite polarización lineal. Usando un esquema similar, para radiofrecuencia se ha propuesto conseguir polarización circular a partir de dos antenas en proximidad que emiten polarizaciones lineales ortogonales. Sin embargo, dadas las diferencias en las tecnologías existentes para radiofrecuencia y frecuencias ópticas por encima de 10 terahercios (por ejemplo, a frecuencias ópticas no es posible usar guías metálicas dadas sus altas pérdidas de propagación), no es sencillo exportar directamente las configuraciones propuestas para conseguir la generación de estados arbitrarios de polarización de la luz emitida por una nanoantena.

En el documento "Tuning the polarizaron states of optical spots at the nanoscale on the Poincare sphere using a plasmonic nanoantenna" / Ogut E; Sendur K / Applied Physics A: Materials Science & Processing se detalla cómo se puede emitir luz con diferentes estados de polarización en la esfera de Poincaré a partir de una nanoantena plasmónica de dipolos cruzados mediante la variación de la longitud horizontal o vertical de la antena o mediante la variación del ángulo de polarización lineal del rayo incidente; donde los estados de polarización se producen para el campo confinado en la zona de la nanoantena

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una nanoantena óptica (elemento emisor de radiación óptica) configurada en una guía de onda dieléctrica de forma que dicha nanoantena se alimenta simultáneamente por los dos extremos de la guía de onda, pudiéndose generar luz con polarización arbitraria. La amplitud y la fase de las señales ópticas guiadas que alimentan la nanoantena por cada una de sus entradas nos permite seleccionar el estado de polarización de la luz radiada. La presente invención también describe un esquema de alimentación óptica de la nanoantena que permite conseguir la mencionada síntesis de polarización. En una posible realización de la nanoantena que ha sido probada, ésta tiene una operación de banda ancha alrededor de 1550 nm, irradiando la luz polarizada en un ángulo de aproximadamente 45 ⁰ o -45 ⁰ dependiendo de la entrada que se utiliza (precisamente , ± 43,7 ⁰ a 1540 nm , ± 46,4 ⁰ a 1550 nm , y ± 49,8 ⁰ en 1560 nm de acuerdo con las simulaciones). El porcentaje de la potencia radiada en la polarización ortogonal no deseada es menos de 1 % en todo el rango espectral de 1540 nm - 1560 nm. El área efectiva de la nanoantena, definida como la potencia recibida por la nanoantena dividida por la densidad de potencia incidente sobre la misma en la dirección normal, es de 8,390 nm² o el 6 % de la superficie física de la nanoantena. Si bien las dimensiones de la nanoantena pueden variar, al igual que su ubicación con respecto de la guía de onda, así como los posibles materiales que la constituyen. Otro aspecto de la invención es aquel referido a un método de síntesis de la polarización de la radiación emitida por la nanoantena cuando se inyecta una señal óptica por los dos extremos de la guía de onda a la cual se encuentra fijada o definida adyacente la citada nanoantena. Los dos extremos de esta guía de onda pueden entenderse como dos guías de onda distintas que alimentan a la nanoantena desde direcciones distintas. Este aspecto de la invención detalla el modular la relación entre la amplitud y/o la fase de la señal inyectada en cada uno de las guías de onda que alimentan la nanoantena. Además se propone hacer uso de una única guía de onda que luego se separa por un bifurcador en Y que genera dos guías de onda, para conseguir ambas entradas que se unen en la citada nanoantena, formando un lazo o "loop". La modulación en tiempo real y de manera dinámica de la amplitud y fase relativa de la señal óptica que entra en la nanoantena desde cada una de sus entradas se lleva a cabo haciendo uso de un modulador colocado en cada una de las guías tras la bifurcación, que permite ajusfar la amplitud y fase de cada señal óptica de cada una por separado. Por otra parte, puesto que la síntesis de polarización depende únicamente de la relación entre la amplitud y la fase relativas de cada una de las entradas, y no del valor individual de cada una, es posible hacer uso de un único modulador en solamente una de las guías de entrada, ya que variando la amplitud y fase de ésta única guía se logra modificar la relación entre la amplitud y fase de ambas guías. En este caso la polarización de la onda radiada no depende únicamente de la forma del emisor, sino también de la interferencia de las dos ondas guiadas que lo alimentan. Al contrario que en las soluciones conocidas en el estado de técnica en radiofrecuencia, no se hace la alimentación de dos elementos radiantes metálicos perpendiculares entre sí, ni las guías usadas son metálicas; si no que las alimentaciones son mediantes guías dieléctricas y el elemento radiante es una única estructura, que puede ser también dieléctrica, como por ejemplo una simple protuberancia en las guías de alimentación. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

FIG. 1. Representación esquemática del sistema de alimentación doble de la nanoantena, con una amplitud y fase (números complejos y ^ ) distintos para cada entrada.

FIGS. 2a-2c. Representan respectivamente los modos de alimentación de la nanoantena.

FIG. 3a-d Muestran respectivamente a) una vista en planta de la disposición del elemento de dispersión con respecto de la guía de onda, b) una vista en alzado de la disposición del elemento de dispersión con respecto de la guía de onda, c) una vista lateral de la disposición del elemento de dispersión con respecto de la guía de onda d) una ilustración de una fotografía SEM del dispositivo de la invención con la escala adjunta.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El método de la invención se resume de manera gráfica a la luz de la figura 1 , que muestra esquemáticamente un dispositivo óptico de la invención que comprende un circuito óptico para alimentar una nanoantena o elemento de dispersión (1 ) mediante dos entradas (2,3). Inicialmente, se procede a inyectar al menos una señal óptica de luz guiada en una guía óptica de ondas proveniente de una fuente de luz coherente (6), por ejemplo un láser. Se hace pasar la señal óptica por un bifurcador en Y donde la señal se separa en dos y sigue respectivos tramos de la guía óptica, es decir se divide en dos caminos (4,5) mediante un bifurcador de potencia en Y conectado a la fuente de luz coherente (6) separando la señal en dos partes. Cada uno de los caminos (4,5) sufre un cambio de amplitud y de fase distinto caracterizados por los dos números complejos α y β que nos dan la amplitud compleja de las señales ópticas que alimentan el elemento de dispersión (1 ) por cada una de unas entradas (2,3) a las que llegan los caminos (4,5) que hacen llegar la señal separada al elemento de dispersión (1 ) desde el bifurcador.

A continuación se procede a alimentar el elemento de dispersión (1 ) al hacer llegar cada parte de la señal a través de cada camino (4,5) hasta las entradas (2,3) de la guía de onda que acceden al elemento de dispersión (1 ) y actúan como dos alimentadores independientes al elemento de dispersión (1 ) o nanoantena haciendo que éste produzca una radiación. Para que la polarización pueda ser controlada en tiempo real se procede a modular al menos uno de los parámetros de la señal inyectada, y por tanto de las señales ópticas que llegan al elemento de dispersión (1 ) un vez la señal óptica es bifurcada o separada; parámetros que se seleccionan de entre: amplitud y fase.

Dado que la síntesis de polarización depende en realidad de la relación entre la amplitud y la fase de la señal que pasa por ambas entradas (2,3), que matemáticamente puede verse como la división entre los números complejos α/β, se desprende que la modulación de solamente uno de los dos parámetros α o β es suficiente para ajusfar dicha relación, pudiendo no realizar modulación alguna en el otro parámetro. Ello implica que la síntesis de polarizaciones puede lograrse mediante un único modulador asociado a los posibles caminos (4,5), o bien mediante dos moduladores respectivamente ubicados en cada camino (4,5), dedicando cada modulador a cada parámetro, de manera que estos puedan modularse de forma independiente. El funcionamiento del elemento de dispersión (1 ) y la síntesis de polarizaciones arbitrarias que éste puede conseguir se puede descnbir atendiendo a la figuras 2a-2c. La figura 2 muestra el elemento de dispersión (1 ) con las entradas (2, 3). Cuando el elemento de dispersión (1 ) se alimenta a través de sólo una de ellas, denominada primera guía de onda de entrada (2), el elemento de dispersión (1 ) produce una radiación en una determinada dirección con una polarización correspondiente a un campo eléctrico E_a , que en el caso de la figura 2a está polarizado linealmente a 45° con el plano de simetría de la estructura que comprende la nanoantena y las guías de onda y puede escribirse matemáticamente como suponiendo una

dependencia del tiempo exp(-/ot) , donde x es el vector unitario ortogonal al plano de simetría. Cuando se alimenta la nanoantena a través de la segunda guía de onda de entrada (3), como muestra la figura 2b, la radiación que se produce en la misma dirección considerada previamente será la correspondiente al campo eléctrico E₆ que está linealmente polarizado a -45° con el plano de simetría de la estructura y se puede escribir como

- E₀b . En otras posibles realizaciones con otras geometrías de nanoantena se puede hacer uso de cualquier otra polarización de los campos E_a y E₆ , siempre que ambas polarizaciones no sean ¡guales o proporcionales

(matemáticamente, que no sean linealmente dependientes entre sí). Al alimentar simultáneamente el elemento de dispersión (1 ) mediante ambas entradas (2,3) como en la figura 2c, la radiación en la dirección considerada previamente (en la figura se considera la dirección z ) corresponde a la superposición de la radiación causada por cada una de las entrada (2,3) por separado, logrando así la síntesis de una polarización nueva de radiación E_rad = E₀(aa + βΙ>) , como se muestra en la figura 2c, siendo a y β las amplitudes complejas que respectivamente alimentan cada guía de onda de entrada, logradas mediante un primer modulador (41 ) y un segundo modulador (51 ) activos de la figura 1 . La doble entrada (2,3) de la estructura anteriormente citada proporciona dos grados de libertad necesarios para cubrir toda la superficie de la esfera de Poincaré, que es una construcción matemática consistente en una superficie esférica que se utiliza en ingeniería y óptica para representar de forma gráfica todos los posibles estados de polarización de las ondas planas coherentes radiadas por cualquier nanoantena, de forma que cada posible polarización corresponde a una punto sobre la superficie de la esfera.

La síntesis de polarización sería igualmente válida para otras implementaciones del elemento de dispersión (1 ) siempre que se cumplan las condiciones sobre los campos radiados al alimentarse por cada entrada (2,3) descrita con anterioridad.

En este ejemplo de realización preferida, mostrado en las figura 3a-d, se ha elegido una plataforma de silicio como material de elemento de dispersión (1 ) y las guías de entrada (2,3), sobre un sustrato aislante de óxido de silicio, dado que se ha hecho uso de tecnología CMOS, si bien el método aquí descrito se puede llevar a cabo haciendo uso de cualquier plataforma tecnológica que permita generar una estructura de nanoantena como la anteriormente descrita que aparece representada en la figura 3d a modo de ilustración correspondiente a fotografía SEM. Para sintetizar una polarización deseada, es necesario controlar la relación de amplitud y fase entre las dos guías de onda de entrada (2,3) que alimentan el elemento de dispersión (1 ), pudiendo lograr cualquier posible polarización radiada, abarcando la totalidad de la esfera de Poincaré. En principio cualquier sistema nanofotónico activo con modulación electro-óptica sintonizable permitiría un control sencillo de la relación de fase y amplitud (cantidades complejas α y β) entre las guías de onda de entrada (2,3) que alimentan elemento de dispersión (1 ) (colocando moduladores activos (41 ,51 ) como los mostrados en de la figura 1 ), con un ancho de banda de modulación capaz de alcanzar decenas de GHz en un dispositivo de silicio, lo que permite una velocidad de ajuste de polarización ultrarrápida, lo cual es fundamental para una aleatorización de polarización o nuevas aplicaciones de almacenamiento magnético. Como se ha mencionado previamente, la relación de fase y amplitud entre ambas entradas (2,3) podría también conseguirse con un único modulador (41 ,51 ) dispositivo activo en solo uno de los caminos (4,5) que llevan a las entradas (2,3).

En una posible realización experimental de la invención, elemento de dispersión (1 ) definido por una nanoantena que consiste en una protuberancia prismática o prisma de base rectangular de una guía de silicio, como muestra las figuras; si bien dicho elemento de dispersión puede ser cualquier otro material adecuado y morfologías distintas como cualquier otro tipo de prisma o un sólido de revolución siempre y cuando tenga una altura mínima y una relación entre altura y anchura similar en relación a las aquí expuestas. Si las dimensiones de la protuberancia que define el elemento de dispersión (1 ) son aproximadamente h = 617 nm y w = 216 nm, y las dimensiones de la guía de onda de silicio (2) y (3) son de 240 x 400 nm, fabricada sobre un sustrato de óxido de silicio de 2 pm de espesor, entonces, de acuerdo a simulaciones electromagnéticas, se consigue que la radiación de la nanoantena en la dirección normal sea linealmente polarizada a +45° (7) o -45° (8) con el eje de simetría según un de las entradas (2,3) que se utilice, tal y como se muestra en la figura 1 , con variaciones menores a 5^o en todo el rango de longitudes de onda comprendidos entre 1540 nm y 1560 nm.

Para realizar una demostración experimental de la síntesis de polarización, sin recurrir a elementos activos, se puede hacer uso de un circuito pasivo simple como el de la figura 1 en el cual los dos moduladores (41 ,51 ) correspondan por ejemplo a unas amplitudes | | = l/V2 y | | = 1 , que se puede lograr fácilmente introduciendo un bifurcador pasivo de potencia 50:50 en el modulador (41 ), de manera que se pierda la mitad de la potencia, y a la vez lograr una diferencia de fases Δφ entre ambas entradas (matemáticamente igual a la diferencia entre los argumentos complejos de los números α y β, Δφ = arg( ) -arg(/3) ), que puede realizarse introduciendo en el primer modulador (41 ) un camino más largo de propagación que en el segundo modulador (51 ), de forma que ΔΙ sea la diferencia de longitud de ruta total entre ambas guías de onda de entrada (2,3). En ese caso, la diferencia de fase entre ambas depende de la longitud de onda y viene dada por Αφ = 27m_effAL / λ₀ donde λ₀ es la longitud de onda, y n_eff = n_eff ( _Q) es el índice efectivo del modo en la guía óptica.

Al alimentar las dos entradas (2,3) del elemento de dispersión (1 ) a distintas longitudes de onda (comprendidas entre 1540 nm y 1560 nm) y con una relación de potencias de 2 a 1 , la potencia radiada por la nanoantena en la dirección normal será una superposición de las polarizaciones lineales correspondientes a la radiación de cada una de sus entradas (2,3), como se ha descrito anteriormente, y la potencia radiada por el elemento de dispersión (1 ) en la dirección normal puede ser medida con un microscopio y una cámara infrarroja. Además, colocando un polarizador lineal entre el elemento de dispersión (1 ) y una cámara, se puede realizar un análisis experimental de la polarización radiada, sin más que registrar la potencia de la radiación recibida en la cámara correspondiente a cada posición angular del polarizador lineal. Por ejemplo, si la radiación del elemento de dispersión (1 ) fuera polarización circular, entonces la potencia detectada por la cámara sería independiente del ángulo del polarizador, sin embargo si la radiación de la nanoantena o elemento de dispersión (1 ) fuera polarización lineal, la potencia detectada por la cámara sería máxima cuando el polarizador lineal estuviera orientado paralelo a la dirección de la polarización radiada, y sería cero cuando el polarizador lineal estuviera orientado en perpendicular a la polarización radiada. Así, variando el ángulo de rotación del polarizador y variando la longitud de onda del láser que alimenta el elemento de dispersión (1 ), se puede realizar un mapa bidimensional de la potencia recibida en función de ambas variables.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Dispositivo óptico caracterizado porque comprende:

• un elemento de dispersión (1 ) adyacente a una guía de onda óptica conectada a un bifurcador óptico simétrico conectado a una fuente de luz coherente (6) y que define la guía óptica a modo de lazo cerrado con inicio y fin en dicho bifurcador, generado dos caminos (4,5) que van desde dicho bifurcador hasta el elemento de dispersión (1 ) y definen una primera y segunda guías de onda de entrada (2,3), y

· al menos un modulador (41 ,51 ) destinado a modular al menos en amplitud y/o fase una señal óptica inyectada en la guía óptica desde la fuente de luz coherente (6).

2. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión es un saliente ortogonal al eje longitudinal de la guía de onda.

3. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1 ) es un prisma de 216 nm de anchura, 617 nm de altura y 240 nm de espesor.

4. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1 ) es un sólido de revolución.

5. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1 ) se encuentra ubicado sobre la guía de onda óptica.

6. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1 ) está hecho de un material metálico.

7. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizada porque el elemento de dispersión (1 ) está hecho de un material dieléctrico diferente del silicio.

8. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque se encuentra comprendida en un substrato de silicio.

9. Método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del dispositivo óptico descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, método caracterizado porque comprende:

• inyectar una señal óptica en la guía de onda óptica,

• hacer pasar dicha señal óptica por el bifurcador, donde la señal se separa en dos caminos (4,5) y sigue respectivos tramos de guía óptica hasta las primera y segunda guías de onda de entrada (2,3),

• hacer llegar cada parte de la señal a través de las guías de onda de entrada (2,3), hasta el elemento de dispersión (1 ) haciendo que éste produzca una radiación, y

• modular en al menos uno de los dos caminos (4,5) al menos uno de los parámetros de la señal óptica a inyectar, parámetros que se seleccionan de entre: amplitud y fase.

10. Método según reivindicación 9 caracterizado porque los parámetros se modulan haciendo uso de al menos uno de los moduladores (41 ,51 ) ubicado en al menos uno de los caminos (4,5).

1 1 . Método según reivindicación 9 ó 10 caracterizado porque los parámetros se modulan de manera independiente haciendo uso de un modulador (41 ,51 ) dedicado a cada parámetro.