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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
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
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
Propagación de un haz
¿Se perturba por otro?
Inmunidad a radiación EM
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
AtenuaciónDispersión
1.3-1.5 µm
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
¿Qué longitud deonda utilizar?
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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)
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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)
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Guiado de luz: reflexión total interna
Radiación EMd∼λ ¿Rayos? ¡NO!
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Modo: reflexión total interna + interferencia constructiva
Recubrimiento
Lámina (guía)
Substrato Campo evanescente
Propagación
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Guías acanaladas
nsnf
nc
Distribución deintensidad modalGuía acanalada monomodo
Idóneas para fabricar dispositivos fotónicos integrados
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Entrada Salida
Interconexión
Salidas
Divisor de hazEntrada
MMI
Unión en Y
Curva
Recta
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Radio de curvatura:
R = 1000 µm
R = 100 µm
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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)
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Output Star (salida) λ = 1.5415 µm
#4
#2
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Output Star (salida) λ = 1.5449 µm
#4
#2
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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
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.
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
Ginés Lifante, UAM IES Beatriz Galindo, Madrid. Febrero, 2011
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!
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