ES2368043A1 - Acoplador de red de difracción y sistema y procedimiento para la caracterización de un especimen mediante su acoplamiento lumínico a éste. - Google Patents
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Abstract
Acoplador de red de difracción, y sistema y procedimiento para la caracterización de un espécimen mediante su acoplamiento lumínico a éste.Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) que comprende una guíaonda óptica (101, 201, 301, 401) con 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 guíaonda 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 guíaonda óptica (101, 201, 301, 401), donde dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) rodea parcialmente dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401) y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401), siendo así el acopiador 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, y sistema y
procedimiento para la caracterización de un espécimen mediante su
acoplamiento lumínico a éste.
La presente invención se refiere a dispositivos
ópticos y, más en particular, a acopladores de red de
difracción.
\vskip1.000000\baselineskip
Las rejillas o redes de difracción (del inglés,
"grating") ópticas frecuentemente se usan para la excitación
fuera del plano de modos de guiaonda. La luz acoplada se puede usar
a continuación para propósitos diversos, tales como para transportar
la energía electromagnética a lo largo de la guiaonda o para la
caracterización de película delgada (del inglés, "thin film")
por el denominado método "m-line". La
excitación del modo de la 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 la excitación fuera del plano de modos de la 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 la integración de varios prismas en
cada chip de pequeño tamaño para la 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 \mum, lo cual proporciona la capacidad de integrar muchos
de ellos dentro de una pequeña área de unos pocos milímetros
cuadrados. La excitación de un modo de la 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 la capa de revestimiento (del
inglés, "cladding layer"). Esta propiedad se usa eficazmente en
sensores y se puede aplicar a la 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 la complejidad de su fabricación,
tal como la precisión elevada, la litografía de resolución
submicrométrica, la caracterización de cada rejilla o red de
difracción, la compatibilidad de las tecnologías para la fabricación
de una corrugación con periodicidad submicrométrica y un sistema de
circuitos de onda de luz en la misma muestra. Estos problemas
incrementan los costes y complican la fabricación de guiaondas con
las rejillas o redes de difracción embebidas. La fabricación de la
corrugación en cada muestra, especialmente para la caracterización,
es muy cara y laboriosa. Además, una vez fabricada, la rejilla o red
de difracción no puede ser extraída de la 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, lo 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 - 1st
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 la 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 la
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 la superficie
superior. Después de curar el PDMS líquido, la impresión
elastomérica de la rejilla o red se desprendió de la 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 la impresión elastomérica se extraiga sin dañar la
superficie de la guiaonda.
Sin embargo, este procedimiento tiene
desventajas heredadas de la elasticidad del polímero, como ha
comunicado Y. Xia y col., en "Soft Lithography", Angew Chem.
Int. Ed. 37, 550-575 (1998): La periodicidad de la
corrugación se puede distorsionar por varios factores, como la
contracción térmica, el colapso lateral y otros. Como consecuencia,
la rejilla o red de difracción debe ser lo suficientemente gruesa
para evitar el colapso de la corrugación. Otra desventaja es que el
índice de refracción del elastómero es fijo y bajo. Como resultado
de esto, si la rejilla o red de difracción está diseñada para el
acoplamiento de luz dentro o fuera de la guiaonda, se producen
longitudes de excitación del acoplador relativamente grandes,
especialmente con un elevado confinamiento del modo.
\vskip1.000000\baselineskip
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 la guiaonda en un substrato o en el espécimen que ha de
medirse o caracterizarse. Así, según la 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 la 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 la 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 la 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, la red de difracción comprende
una pluralidad de crestas, siendo controlables dichas crestas según
un ángulo de incidencia de la 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 la excitación de al menos
un modo de propagación TE y un modo de propagación TM.
En una realización particular, la 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 la capa de la guiaonda sobre la que se
graba químicamente dicha red de difracción.
En otro aspecto de la presente invención, se
proporciona un sistema para la 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 la película de polímero blando de
dicho acoplador de la 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 la 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 una 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.
\newpage
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 la película de polímero blando de dicho
acoplador de red de difracción contra dicho espécimen; excitar al
menos un modo en la guiaonda comprendida en dicho acoplador de red
de difracción iluminando dicho acoplador de red de difracción 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;
registrar los ángulos de excitación de los modos de la 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 la invención propuesta serán
evidentes por la descripción que sigue.
\vskip1.000000\baselineskip
Para completar la descripción y para
proporcionar una mejor comprensión de la invención, se suministra un
conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la
descripción e ilustran una forma de realización preferida de la
invención, lo cual no se debería interpretar como una restricción
del alcance de la invención, sino simplemente como un ejemplo de
cómo se puede realizar la 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 la
presente invención.
La figura 2 muestra una vista de la sección
transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de
difracción según la presente invención.
La figura 3 muestra una vista de la sección
transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de
difracción según la presente invención.
La figura 4 muestra una vista de la sección
transversal de una realización ejemplar de un acoplador de red de
difracción según la presente invención.
Las figuras 5a a 5h ilustran un experimento
basado en la figura 2.
Las figuras 6a a 6d ilustran un experimento
basado en la figura 3.
Las figuras 7a a 7f muestran un ejemplo de
fabricación del acoplador de red de difracción de la invención.
La figura 8 muestra un ejemplo de una
configuración para la caracterización de la sonda.
Las figuras 9a a 9c muestran la transmisión de
una sonda de red frente al ángulo de incidencia para la polarización
TE (9a), la imagen del punto producido por la luz transmitida a
través de la sonda (9b) y la vista de la sección transversal de la
estructura usada en el experimento (9c).
Las figuras 10a-10c muestran un
experimento de excitación de una sonda de la guiaonda y las imágenes
del punto producido por la luz transmitida a través de la sonda en
la resonancia y fuera de la resonancia.
Las figuras 10d-10g muestran el
proceso de montaje del acoplador de la figura 10a sobre un sustrato
de vidrio. Se muestra la evolución de la sonda que se adhiere a la
superficie de vidrio.
La figura 11 muestra un ejemplo de la 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.
\vskip1.000000\baselineskip
En el contexto de la 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, la propiedad de elasticidad.
Gracias a esta propiedad, es posible un movimiento segmental
considerable. Así, los polímeros blandos se pueden utilizar como
adhesivo temporal.
\newpage
Material óptico duro: El material que, por
debajo de su temperatura de transición de vidrio, permite la
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 la
longitud de onda de la luz que potencialmente puede viajar a través
de él. No se observan fenómenos de interferencia cuando la luz se
propaga a través de materiales voluminosos.
Modo TE (transversal eléctrico): modo que no
presenta campo eléctrico en la dirección de propagación.
Modo TM (transversal magnético): modo que no
presenta campo magnético en la dirección de propagación.
La implementación de la 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 la presente
invención. Comprende una guiaonda óptica 101 que tiene una red de
difracción 110. La guiaonda 101 puede ser una guiaonda monocapa o
una guiaonda multicapa (formada por una pila de capas).
La red o rejilla de difracción 110 puede estar
embebida en o fijada a la guiaonda 101. La red 110 es una estructura
de formaciones en crestas paralelas 112, a lo largo de una porción o
a lo largo de toda la superficie de la guiaonda 101. Las crestas 112
se pueden denominar "dientes", mientras que el espacio 111
entre las crestas 112 se puede denominar "huecos" 111.
La red 110 está definida por medio de una
pluralidad de crestas o dientes 112, cada uno de ellos que está
separado por los respectivos huecos 111. Los dientes de la red 112
están hechos de un material con índice de refracción diferente de
aquel de los huecos de la red 111. La red 110 puede estar realizada
sobre cualquiera de las dos superficies de la guiaonda 102 103.
Preferentemente, la 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 la cual están fijadas la
guiaonda 101 y red 110. La guiaonda 101, la red 110 y la 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, la
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 la guiaonda 101 rodea parcialmente la guiaonda 101. Como se
puede observar en la figura 1, la película de polímero 120 no rodea
completamente la guiaonda 101, pero deja una superficie abierta y
libre.
La sonda (guiaonda 101 más red o rejilla de
difracción 110 más película de polímero 120) tiene los siguientes
parámetros: grosor de la guiaonda 101, índice de refracción de la
guiaonda 101, profundidad de corrugación de la red o rejilla de
difracción, período y ciclo de trabajo de la rejilla o red de
difracción 110, índice de refracción del material del cual están
hechas las crestas o los dientes 112 e índice de refracción de la
película de polímero. El grosor de la guiaonda 101 preferentemente
está . entre 50 y 5000 nanómetros. El índice de refracción de la
guiaonda 101 preferentemente está entre 1,1 y 4,1 RIU (unidades del
índice de refracción). La profundidad de corrugación de la rejilla o
red de difracción preferentemente está entre 50 y 5000 nanómetros.
El período de la rejilla o red 110 preferentemente está entre 200 y
1000 nanómetros. El ciclo de trabajo de la rejilla o red 110
preferentemente está entre 0,2 y 0,8. El índice de refracción del
material del que están hechos las crestas o los dientes 112
preferentemente está entre 1,1 y 4,1 RIU. El índice de refracción de
la 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 la película de polímero 120, que está diseñada para fijar el
acoplador de red de difracción 100 a ese sustrato o espécimen. Para
montarla, la sonda (guiaonda 101 que tiene la rejilla o red de
difracción 110 más la película de polímero blando 120) se puede
presionar contra cualquier sustrato o espécimen por su lado o
superficie que tiene la sonda óptica abierta (o libre) (no cubierta
por la película de polímero 120). Así la guiaonda sonda presionada
(por medio de la 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 la sonda de la
guiaonda y el sustrato o espécimen. La sonda de la guiaonda
(guiaonda 101 que tiene la rejilla o red de difracción 110 más
película de polímero blando 120) puede ser liberada del sustrato o
espécimen cuando sea necesario.
Así, cuando esta estructura híbrida (la 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 la 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 lo 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
la inyección puntual de luz en el IOC y para determinar las
propiedades ópticas de una capa dada.
La figura 2 muestra una vista de la 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 la
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 la sonda y la superficie del espécimen (o guiaonda) 230
gracias a la estructura que comprende un polímero blando 220. La luz
incidente a un cierto ángulo \Theta sobre la rejilla o red 210 se
acopla parcialmente al espécimen (guiaonda 230) depositado sobre el
sustrato 240 y se propaga a lo largo de él. Los parámetros (grosor e
índice de refracción) de la guiaonda 230, junto con los parámetros
(grosor, índice de refracción y período de la o red de difracción)
de la sonda definen los ángulos de excitación \Theta de los modos
de propagación permitidos para la propagación a lo largo de la
estructura formada por la guiaonda 230 y la sonda (guiaonda 201 con
la rejilla o red de difracción 210 más película de polímero blando
220). Puesto que se asume que los parámetros de la sonda son
conocidos, conociendo entonces los ángulos de excitación se pueden
encontrar los parámetros de la guiaonda 230 usando procedimientos
convencionales evidentes para aquellos expertos en la materia. Esos
ángulos de excitación \Theta se pueden encontrar, por ejemplo,
usando barrido angular y detectando el máximo de energía de luz que
sale de la guiaonda 230 a su salida.
La sonda colocada en una guiaonda monomodo 230
que tiene un índice de refracción comparable a aquél de la sonda,
forma una estructura de guiaonda que tiene un grosor superior al
grosor de la guiaonda 230. Así, se pueden excitar dos modos y se
puede encontrar el índice de refracción y el grosor de la 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 la
capa 330. El índice de refracción del material voluminoso que forma
la capa 330 define los ángulos de excitación \Theta de los modos
de propagación de la sonda de la guiaonda permitidos para la
propagación en la estructura formada por la 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 la
materia. Esos ángulos de excitación \Theta se pueden encontrar,
por ejemplo, usando barrido angular y detectando el comportamiento
anormal de la luz reflejada de la estructura formada por la sonda y
el espécimen voluminoso 330. El propósito de este ejemplo particular
es medir el índice de refracción del material voluminoso 330 o
calibrar la sonda si se conoce el índice de refracción del material
voluminoso 330.
Gracias a la combinación del polímero blando y
la rejilla o red de difracción basada en un material óptico duro, el
acoplador se puede usar para la caracterización del índice de
refracción de materiales voluminosos con un índice inferior al de la
sonda. Esto se consigue excitando la 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, la rejilla o red de difracción
110, 210, 310 se puede implementar en el lado superior o superficie
102, 202, 302 de la guiaonda 101, 201, 301 o en el lado opuesto o
superficie 103, 203, 303 de la guiaonda 101, 201, 301.
Cuando la rejilla o red de difracción 110, 210,
310 está construida sobre el lado o superficie superior 102, 202,
302 de la guiaonda 101, 201, 301, el índice de refracción de las
crestas o dientes de la rejilla o red de difracción 112, 212, 312 es
diferente del índice de refracción de la película de polímero 120,
220, 320, que rellena los huecos 111, 211, 311 entre los dientes
112, 212, 312.
Alternativamente, cuando la rejilla o red de
difracción 110, 210, 310 está construida sobre el lado o superficie
inferior (debajo) 102, 202, 302 de la guiaonda 101, 201, 301, el
índice de refracción de las crestas o dientes de la rejilla o red de
difracción 112, 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, la excitación de los modos de la
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 la invención se puede usar para la caracterización de las
propiedades intrínsecas (tales como el grosor de la guiaonda y el
índice de refracción) de la sonda de guiaonda. La guiaonda 101, 201,
301 que forma la sonda de guiaonda está hecha de un material que
tiene un índice de refracción sustancialmente superior a aquél del
polímero que forma la 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 la resolución del sistema de ecuaciones de
dispersión y así permitir la caracterización de la sonda.
La sonda que forma el acoplador de red de
difracción 100, 200, 300 de la invención también se puede usar para
la caracterización del índice de refracción de materiales
voluminosos, siguiendo la implementación de la figura 3. En esta
forma de realización, la estructura formada por el acoplador de red
de difracción 300 (guiaonda 301 con la rejilla o red de difracción
310 más la película de polímero blando 320) más la 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 la
sonda y a continuación averiguar el índice de refracción del
material voluminoso 330. En este caso, el índice de refracción de la
guiaonda 301 debe ser mayor que el índice de refracción del material
que se ha de caracterizar (material voluminoso 330). El periodo de
la rejilla o red de difracción 310 se elige para proporcionar la
excitación de la estructura. Esto significa que el período de la
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 la
sonda de la 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 la invención también se puede usar para
la 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 la que la 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
la 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 la
sonda. El índice de refracción de la guiaonda 401 puede ser superior
o inferior al índice de refracción del material caracterizado (el
material que forma la pila de películas delgadas 430) y aquél de la
película de polímero 420. El período de la rejilla o red de
difracción 410 se elige para proporcionar la excitación de la
estructura de la guiaonda. Ese periodo se debe elegir de forma
adecuada. Si el periodo no se elige de forma adecuada, no habrá
excitación de la sonda de la guiaonda observada y no se podrá
determinar el índice de refracción.
Alternativamente, la sonda que forma el
acoplador de red de difracción también se puede diseñar y usar para
la caracterización de guiaondas ópticas. Esto también se ilustra en
la figura 4, en la que se ha de caracterizar la guiaonda 430. En
esta realización, la estructura formada por la sonda de guiaonda
(guiaonda 401 con la rejilla o red de difracción 410 más película de
polímero blando 420) más la película delgada o pila de películas 430
(la 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 la razón por la que el polímero que
forma la 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 la forma de la superficie a la 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 la película de polímero
blando 120, 220, 320, 420 comprendida en la sonda de guiaonda.
En lo que se refiere a la fabricación de la
rejilla o red de difracción 110, 210, 310, 410, preferentemente se
realiza embebiéndola en la guiaonda 110, 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 la realización de la figura 4, en la
que se presenta una estructura que comprende dos películas delgadas
530 depositadas sobre un sustrato 540. En este experimento, la 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 \mum), a su vez
localizado sobre un sustrato de silicio (que tiene un índice de
3,88, y en el que se omitió la 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 la guiaonda de la
sonda tiene un grosor de 150 nm y un índice de refracción de 2,03.
El ángulo de incidencia se calculó en
el aire.
el aire.
La figura 5b muestra la dependencia de la
reflexión de la estructura con el ángulo de incidencia. Se observa
una reflexión anormal cercana a la unidad si el ángulo de excitación
está lejos del ángulo correspondiente a la condición de
autocolimación 100 Para la estructura presentada en
la figura 5a, la condición de autocolimación se satisface cuando el
ángulo de incidencia es de 39,25º, para una longitud de onda del
láser de 633 nm. En este intervalo se observan una reflexión y un
factor Q bajos.
\newpage
La figura 5b muestra los resultados de
simulaciones de reflexión de la sonda montada sobre una guiaonda con
un índice de refracción de 2,03 depositada sobre tope
("buffer") de sílice (con un grosor de 2 \mum) 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 la 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 la guiaonda 501 se debe elegir
para evitar el índice de refracción efectivo de la guiaonda compleja
101
Esta condición es válida para ambos casos:
cuando la rejilla o red de difracción está implementada en el lado
superior de la guiaonda 501' o en el lado opuesto (inferior) de la
guiaonda 501. La figura 5d muestra la reflexión frente al ángulo de
incidencia para un espécimen de guiaonda diferente (figura 5c). La
situación es similar a la mostrada en la figura 5b. Apenas se
distingue un pico de reflexión anormal, cerca de los 39,25º. La
diferencia entre las gráficas (figuras 5b y 5d) es en ambos casos el
ángulo de aceptación (del inglés, "acceptance angle") de la
rejilla o red de difracción. En la figura 5b, los picos de reflexión
son mucho más estrechos, lo que se atribuye al menor contraste del
índice de refracción de la corrugación (0,62 comparado con 1,03).
Así, la resolución de esta estructura es mejor. Aunque el grosor de
la guiaonda en la que se reduce la reflexión de resonancia cambia,
el ángulo de excitación correspondiente aún está en torno a 39,25º.
La anchura de cada pico es de 0,05º aproximadamente. Así la
resolución en el área entre 150 y 200 nm se define como
(41,8º-40,1750 nm/0,05º)^{-1} = 1,5 nm (se asume que la precisión
de las mediciones es de 0,05º igual a la anchura angular del pico en
FWHM). La resolución en el área de 100-125 nm se
define como (39,08º-37,8725 nm/0,05º)^{-1} = 1 nm (se asume que la
precisión de las mediciones es de 0,05º igual a la anchura angular
del pico en FWHM).
En la 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 \mum) 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 la guiaonda de la 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 la situación en la que el índice del espécimen de
guiaonda es de 2,03, los círculos huecos representan la situación en
la 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, la
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 la figura 5c.
La figura 5f muestra los ángulos de excitación
frente a los parámetros de la muestra de guiaonda. Se montó una
sonda sobre una guiaonda depositada sobre un tope ("buffer") de
sílice (con un grosor de 2 \mum) 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 la
guiaonda de la 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 la figura 5c.
El índice de refracción de la guiaonda del
espécimen afecta a ambos modos, pero el modo de orden cero se ve
afectado más fuertemente (32-42º/RIU) comparado con
el modo de primer orden (22-27º/RIU). El grosor
afecta más al modo de primer orden (0,07-0,093º/nm)
que al modo de orden cero (0,028-0,033º/nm). Un
parámetro importante es también la diferencia angular entre los
modos, que se incrementa en 0,33º/0,01 RIU aproximadamente a medida
que aumenta, el índice de refracción del espécimen de guiaonda. Por
tanto, si la precisión de las mediciones angulares está limitada por
el ángulo de aceptación, que prácticamente en todos los casos es
mejor que 0,1º, entonces la 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 la figura 5g. Los ángulos, 40,07 y
17,4º, correspondientes a la 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 la figura 5f. Los puntos marcados por los cuadrados
sólidos se calcularon usando la aproximación de la matriz de
transferencia tomando la desviación angular de 0,1º tanto en la
dirección positiva como negativa de los valores reales.
Finalmente, la figura 5h muestra la 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 \mum) 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 la guiaonda de la 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 la realización de la figura
3, en la 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 la caracterización del índice de refracción de materiales
voluminosos: En la figura 6a la rejilla o red de difracción está
localizada en el lado de la guiaonda no rodeado por la película de
polímero 620, mientras que en la figura 6b la rejilla o red está
localizada en el lado de la guiaonda rodeado por la película de
polímero 620'. La sensibilidad es superior en la figura 6b, puesto
que en este caso el ángulo de aceptación de la rejilla o red de
difracción es más pequeño.
La figura 6c muestra la 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 la rejilla o red de difracción de la
figura 6b. Los cuadrados huecos representan una de difracción o red
de 20 nm, una guiaonda de 100 nm y la rejilla o red de difracción de
la figura 6a. Los triángulos sólidos representan una rejilla o red
de difracción de 30 nm, una guiaonda de 100 nm y la rejilla o red de
difracción de la figura 6b. Los triángulos huecos representan una
rejilla o red de difracción de 30 nm, una guiaonda de 150 nm y la
rejilla o red de difracción de la figura 6b.
Se calculan los ángulos de excitación y los
ángulos de aceptación de la sonda montada sobre el sustrato
voluminoso con un índice de refracción n, a partir de los cuales
también se calcula la sensibilidad representada en la figura 6c como
el cambio en el ángulo de excitación por unidad de cambio en el
índice de refracción:
La resolución se define como la relación
2 en la que \Theta_{acc} es el ángulo de
aceptación de la rejilla o red de difracción medido a la anchura
completa de la altura media (del inglés, "full width of half
máximum", FWHM). La figura 6d muestra la resolución en la
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 la
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 la rejilla o red de difracción de la figura 3. Los
triángulos sólidos representan una rejilla o red de difracción de 30
nm, una guiaonda de 100 nm y la rejilla o red de difracción de la
figura 6a. Los triángulos huecos representan una rejilla o red de
difracción de 30 nm, una guiaonda de 150 nm y la rejilla o red de
difracción de la figura 6a.
El índice de refracción de los materiales
voluminosos se puede medir con una precisión superior a 0,0025 si se
usa la sonda con los parámetros apropiados. Para este propósito, el
grosor de la sonda debe tender al grosor correspondiente a la
condición límite de la 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 la 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 \mum
(SiO_{2}) se hizo crecer térmicamente sobre un sustrato de
silicio. A continuación se fabricaron redes de difracción usando la
combinación de holografía y ataque o grabado químico
("etching") con iones reactivos. Toda la 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 (Si_{3}N_{4}) con la
técnica LPCVD. A continuación se realizó la definición de las sondas
usando fotolitografía y ataque o grabado químico con iones reactivos
(figura 7a). Posteriormente, la 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 SIO-ataque químico (figura 7d).
Posteriormente, la película se cortó con un cúter a lo largo de los
surcos de la línea de corte definidos sobre un chip (figura 7e).
Finalmente la pieza cortada de la película de PDMS se extrajo de la
oblea junto con las sondas y se puso sobre un espécimen (figura
7f).
Adicionalmente, la 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 la película blanda 220, 320,
420 del acoplador de red de difracción 200, 300, 400 contra el
espécimen 230, 330, 430; proporcionando la excitación de al menos un
modo de guiaonda en la 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 la red o rejilla de difracción de la guiaonda que forma la
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 la 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 la sonda se llevó a cabo desde el sustrato para ambas
polarizaciones TE y TM. La excitación fue más eficiente cuando la
luz procedente de un láser 850 se enfocó con una lente 860. Para
fijar el punto a un tamaño de 40 \mum, 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 la
transmisión. La línea negra en el centro del punto transmitido
corresponde a la excitación de la sonda con el ángulo Q_{0}. Las
figuras 9a-9c muestran la transmisión de la sonda
de la red o rejilla de difracción frente al ángulo de incidencia
para la polarización TE. Se asume que la sonda tiene una guiaonda
901 con un grosor de 150 nm y un índice de 2,03. La profundidad de
la rejilla o red de difracción de 30 nm de la 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 la 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 la figura 10c representa el modo en resonancia. La
imagen se escaneó usando una cámara web de baja resolución. La línea
negra en la segunda imagen corresponde al mínimo en la gráfica de la
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 10d, 10e, 10f y 10g, que muestran la
evolución de la fijación de la sonda a la 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 la sonda de nitruro de silicio y el
sustrato (puntos blancos no homogéneos). Con el tiempo, las burbujas
son expulsadas por la presión creada por la película de elastómero.
Así, en la figura 10g no se observan huecos de aire.
Según las simulaciones, se observa una
dependencia significativa de la reflexión con el grosor de la capa
de aire comenzando en 5 nm. Puesto que no se observaron otros
cambios en la 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 la profundidad de la red de difracción. Algunas
no uniformidades fueron debidas a la calidad de la superficie del
sustrato que no se limpió antes del experimento.
La película de polímero formada sobre la
superficie puede no ser plana. Esto puede estar causado por las
tensiones producidas durante la colocación de la 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 la figura 11,
en la que se ilustra una película de polímero no plana:
Si \alpha_{01} = \alpha_{02} entonces
4 .
El ángulo de excitación normalmente se mide en
ambas direcciones positiva y negativa, y el resultado se obtiene
como la semisuma de estos ángulos: 5 No obstante, si
\alpha_{01} = \alpha_{02} \neq 0, entonces el ángulo:
6
60 es diferente de aquél
cuando la superficie superior es paralela a la inferior. Si los
ángulos son \alpha_{01} = \alpha_{02} \neq 0 y desconocidos,
entonces la incertidumbre en las mediciones angulares puede dar como
resultado errores significativos cuando se caracterizan materiales
diferentes usando el procedimiento propuesto.
El problema de la no planaridad se resolvió
usando una placa de vidrio colocada sobre la superficie superior de
la película de PDMS. No se creó la superficie paralela perfecta pero
al menos se obtuvo una superficie plana con un ángulo interno
conocido.
El índice de refracción de la película de PDMS
se midió usando la reflexión interna total (TIR) de la interfaz
prisma de vidrio BK7 - película de PDMS. La TIR se produce a 37,48º,
que corresponde a un índice de refracción de 1,413 (para la
verificación del procedimiento se midió el índice de refracción del
aire, la TIR se produjo a -5,60º que corresponde al índice de 1,001,
así la precisión de las mediciones fue de 10^{-3}).
En la 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 la rejilla o red de
difracción por medio de una lente plano-convexa y a
un cierto ángulo de incidencia se acopló a la guiaonda. La altura de
la varilla ("rib") era de 4 nm mientras que la 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 la estructura compleja. La distribución de la guiaonda
sin el acoplador es diferente y hay algunas pérdidas en el extremo
del elemento de acoplamiento. Las pérdidas están definidas por la
superposición de las distribuciones de los campos eléctricos de
ambas guiaondas. Para maximizar la transferencia de energía entre
las guiaondas, las distribuciones de los campos en modo guiaonda
deben coincidir tanto como sea posible. Así el grosor de la 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 la rejilla o
red de difracción en la parte inferior de la 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 la 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 la cubierta sólo con PDMS,
sin la sonda. La curva punteada se refiere a una sonda de 50 nm con
los mismos parámetros de la rejilla o red de difracción.
El otro grupo de acopladores se colocó sobre un
chip pequeño (3x7 mm^{2}) 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 la 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 la misma
guiaonda sobre la 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
\mum respectivamente. La eficacia de acoplamiento máxima del 5% se
obtuvo cuando se excitó el modo fundamental de polarización TE.
Aunque la eficacia obtenida se puede considerar baja, se puede
aumentar mediante un diseño apropiado del acoplador y mediante la
optimización de los parámetros de las ópticas de enfoque. Así, según
las simulaciones, la longitud de excitación de la estructura usada
en el experimento es de 50 \mum, esto es, el tamaño de punto a lo
largo de la guiaonda se debe ajustar a este valor. Entonces se
espera que la eficacia de acoplamiento se incremente en un factor de
tres.
Para determinar el índice de refracción y el
grosor de la guiaonda descrita en la 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
37º40' (modo de orden cero), 23º00' (modo de primer orden) en el
caso de la polarización TE y a 32º10' (modo de orden cero), 17º00'
(modo de primer orden) en el caso de luz polarizada TM. Los cálculos
de los parámetros de la 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 la capacidad del procedimiento
para la caracterización de películas delgadas.
En conclusión, la 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 la validez
de la configuración propuesta tanto para la caracterización de los
materiales usados como para el acoplamiento de luz dentro/fuera en
un IOC. Es necesaria la 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 la 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 la tecnología
de fabricación de dispositivos fotónicos sobre sustratos de
vidrio.
En el contexto de la presente invención, los
términos "cerca", "próximo", "aproximadamente" y
"sustancialmente" y términos de su familia (como
"aproximado", etc.) se debe entender qué 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 la técnica entenderá que
esa desviación de los valores indicados es inevitable debido a
imprecisiones en la 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 la posibilidad de que lo que se
describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc.,
adicionales.
Por otra parte, obviamente la 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 la persona experta
en la materia (por ejemplo, en lo que respecta a la elección de los
materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro
del alcance general de la invención según se define en las
reivindicaciones anexas.
Claims (15)
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 (110, 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 la fijación de dicha película de
polímero blando (120, 220, 320, 420) a dicho espécimen (230, 330,
430).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Acoplador de red de difracción (100, 200,
300, 400) según la 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 (110, 210, 310, 410) comprende una pluralidad de
crestas (112, 212, 312, 412).
5. Acoplador de red de difracción (100, 200,
300, 400) según la reivindicación 4, en el que dichas crestas (112,
212, 312, 412) son de forma rectilínea.
6. 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.
7. 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.
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) esta hecha de al
menos un material óptico duro.
9. Acoplador de red de difracción (100, 200,
300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en
el que dicha red de difracción (110, 210, 310, 410) es grabada
químicamente sobre dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401).
10. Acoplador de red de difracción (100, 200,
300, 400) según la reivindicación 9, en el que dicha red de
difracción (110, 210, 310, 410) está hecha de un material diferente
del material del que está hecha la capa de la guiaonda (101, 201,
301, 401) sobre la que se graba químicamente dicha red de difracción
(110, 210, 310, 410).
11. Sistema para la 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 la película de polímero blando (220, 320, 420) de dicho
acoplador de la 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 la guiaonda (201, 301, 401) comprendida en dicho
acoplador de red de difracción (200, 300, 400).
\vskip1.000000\baselineskip
12. Sistema según la reivindicación 11, 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.
13. Uso del acoplador de red de difracción (100,
200, 300, 400) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 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.
\newpage
14. 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 10 sobre un
espécimen (230, 330, 430), presionando la 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 la 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 la guiaonda;
- calcular un cierto parámetro del espécimen
usando técnicas de modelado.
\vskip1.000000\baselineskip
15. Procedimiento según la 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 una
pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.
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