Sin título de diapositiva · Departamento de Física de Materiales ... Elementos y dispositivos de...
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GinGinéés Lifante Pedrolas Lifante Pedrola
Departamento de Física de MaterialesFacultad de Ciencias
Universidad Autónoma de Madrid
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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Esquema de la exposición
¿Por qué luz?
Fotónica Integrada: guías ópticas
Elementos y dispositivos de fotónica integrada- Pasivos (divisores de haz, demultiplexores)- Funcionales (moduladores, sensores)
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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Alta frecuencia: 1014 - 1012 Hz (VIS-IR)(Radiofrecuencias ~100 MHz)
fluz ∼ 106 fRF
Alta capacidad de transmisión
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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Propagación de un haz
¿Se perturba por otro?
Inmunidad a radiación EM
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Hitos históricos
Invención del láser(Maiman, 1960)
Desarrollo de dispositivossemiconductores
Fabricación de fibras ópticas con bajas pérdidasGinés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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Evolución de la transparencia de los vidrios
10-4
10-2
100
102
104
106Antiguo Egipto
VeneciaBohemia
CVDTécnicas
19991990190010000-4000
Límite teóricoAte
nuac
ión
(dB
/Km
)
AÑO
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AtenuaciónDispersión
1.3-1.5 µm
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¿Qué longitud deonda utilizar?
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Concepto de Fotónica Integrada
Idea: Utilizar fotones en lugar de electrones como portadores de información/procesado.
¿Cómo? Integrar todos los elementos fotónicos en un mismo substrato.
Fabricar guías de onda que confinen la luz por reflexión total interna, conectando los distintos elementos.
Chip óptico
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Ley de Snell de la refracción (Ibn Sahl, siglo XIII)
θ1 Medio 1
Medio 2
n1
n2 θ2
vcn /≡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 1
2
12 θθ sen
nnsen2211 θθ sennsenn =
Si n1 < n2 Siempre hay rayo transmitido
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Ley de Snell de la refracciónθ1 Medio 1
Medio 2
n1
n2 θ2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= 1
2
12 θθ sen
nnsen
121 / nnsen >θSi n2 < n1 Puede que:
!!!1¡¡¡ 2 >θsen No existe rayo transmitido(Reflexión total interna)
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Guiado de luz: reflexión total interna
θ
Recubrimiento
Lámina
Substrato
nr
nf
ns
Radiación confinadaθ > θcs, θcr
nf>ns>nrθcs= asen(ns/nf) θcr= asen(nr/nf)
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Guiado de luz: reflexión total interna
Radiación EMd∼λ ¿Rayos? ¡NO!
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Modo: reflexión total interna + interferencia constructiva
Recubrimiento
Lámina (guía)
Substrato Campo evanescente
Propagación
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Guías acanaladas
nsnf
nc
Distribución deintensidad modalGuía acanalada monomodo
Idóneas para fabricar dispositivos fotónicos integrados
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Entrada Salida
Interconexión
Salidas
Divisor de hazEntrada
MMI
Unión en Y
Curva
Recta
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Guías curvas, uniones en Y
ns
x
z
ns+dn
W
z0
R
Sθ
Rθ
L
ns
x
z
ns+dn
W
z0
R
Sθ
Rθ
L
ns
x
z
ns+dn
W
z0
S
R
L
Y_Branch_02.PPT
ns
x
z
ns+dn
W
z0
S
R
L
Y_Branch_02.PPT
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Radio de curvatura:
R = 1000 µm
R = 100 µm
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0 100 200 300 400 50010-1
100R = 600 µm
R = 400 µm
R = 500 µm
R = 300 µm
Bending_Losses_04.OPJ
∆x = 0.05 µmLx = 51.2 µm∆z = 0.5 µmLz = 1000 µm ns = 1.85
∆n = 0.02W = 1.5 µmλ = 1 µmStep-index waveguide
Fu
ndam
enta
l mod
e in
tens
ity
Propagation distance (µm)
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Splitters: “Multimode Interference Device”(MMI)
t
WMMI
LMMI
W
ns
GapnMMI
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Divisor de potencia 1:3 (MMI)
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Acopladores por campo evanescente
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Separador de polarizaciones
TE, TM
TE
λ = 1.5 µm
TM
S = 1 µm
nc = 1.3
nI = 1.5
Lc = 181 µm
nII = 1.5
WI = 0.5 µm
WII = 0.5 µm
Pol_Beam_Splitter_02.PPTTE, TM
TE
λ = 1.5 µm
TM
S = 1 µm
nc = 1.3
nI = 1.5
Lc = 181 µm
nII = 1.5
WI = 0.5 µm
WII = 0.5 µm
Pol_Beam_Splitter_02.PPT
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Filtros de longitud de onda
λ1 = 0.83 µm
λ1
λ2 = 1.0 µm
λ2
S = 1.7 µm
nc = 1.4500
nI = 1.5005
L = 530 µm
nII = 1.4900
WI = 1 µm
WII = 1.6 µm
WL_Filter_02.PPTλ1 = 0.83 µm
λ1
λ2 = 1.0 µm
λ2
S = 1.7 µm
nc = 1.4500
nI = 1.5005
L = 530 µm
nII = 1.4900
WI = 1 µm
WII = 1.6 µm
WL_Filter_02.PPT
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Bombeo para amplificadores ópticos
Señal de 1533 nmamplificadaGuía impurificada con Er3+/Yb3+
Substrato de vidrio
Acoplador
Bombeo a 980 nm
Señal a 1533 nm
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Demultiplexor de longitud de onda(AWG o PHASAR)
λ1
λn
λ1.... λn
Guías de entrada Guías de salida
Guías curvas
Acoplador en estrella
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Input Star (entrada)
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Output Star (salida) λ = 1.5415 µm
#4
#2
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Output Star (salida) λ = 1.5449 µm
#4
#2
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1.535 1.540 1.545 1.550 1.555 1.560 1.5651E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
Channel #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8
Cha
nnel
Pow
er
Wavelength (µm)
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Arrayed waveguides
Output starcoupler
Inputwaveguide
Input starcoupler
Output waveguides
Arrayed waveguides
Output starcoupler
Inputwaveguide
Input starcoupler
Output waveguides
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Modulador de fase
Entrada Salida
Modulador de intensidad
Entrada Salida
Interferómetro Mach-Zehnder
V
Modulador de fase EO
V
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Modulador de fase en guía V
dVE =
)(),( 0 ϕω +−= kxtsenEtxE
nL∆=∆λπϕ 2
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Modulador EO basado en interferómetros Mach-Zehnder
RF
IN OUT
inout PP )cos1(21 ϕ∆+=
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IN OUT
inout PP )cos1(21 ϕ∆+=
∆ϕ=0
POUT = PIN
∆ϕ=π
POUT = 0
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LT = 20.0 mmLin = 3.1 mmLY = 1.4 mmL = 11.0 mm
R = 20.5 mmθ = 2ºZ = 50 µmw = 2 µm
w
LT
Lin LY LinLYL
Z
Rθ
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Ramas paralelasGuía
desalida
Guíade
entrada
Unión en YUnión en Y
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Lel = 10.0 mm
g = 22 µm
W = 28 µm
Γ=
····33
3 rngLV
e
λπ Vπ ∼ 10 VFigura de mérito:
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Electrodos de aluminioTécnicas fotolitográficasDepósito por sputtering
Motivos de alineamiento
ElectrodosPistas de conexión
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Guía de onda
Hilos de contacto
Chip óptico
Input f ∼ 1 Hz
Zócalo
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Lámina transductoraopto-química Campo evanescente
Recubrimiento
effnL∆λπϕ∆ 2
=Guía
Substrato
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Longitud de interacción
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Dispositivos biosensores basados en IMZ
Rama sensora
Rama de referencia
Región sensoraSilicio
SiO2
Si3N4
SiO2
Lámina sensora
IN OUT
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5.9 µm
LOOM: “Low Optical Overlap Modes”Modos con un bajo confinamiento (1%) del campo EM dentro del material.
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Límite de sensibilidad: Conventional EW sensor reaches sensitivity limit (5%)at concentration of 98 ppm. LOOM sensor reaches limit
at 10 ppb!
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Giróscopo óptico basado en fibras ópticas (I-FOG)
Laser 2x2
PD PD Electrónica
Bobina de fibra
Chip óptico
Sensibilidad:100 a 1 deg/h (Boeing 777)<0.01 deg/h para aplicaciones especiales
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Epítome
- Dispositivos fotónicos: basados en guías de onda.
- Compactos, ligeros y aptos producción en masa.
- Demostrados una amplia variedad de dispositivos.
- Aplicaciones en comunicaciones ópticas/sensores.
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¡Gracias por laatención prestada!
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Emisor RGB
CW Láser
Modulador EO
Modulador AO
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 40.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Plasmon_Theo_Exp_02.OPJ
Theory Experiment
Refle
ctiv
ity
Incident angle (deg)
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Biosensor Plasmónico