Advanced periodic topologies for next-generation silicon photonics.

Abstract

Los dispositivos ópticos integrados basados en silicio se han convertido en una pieza clave de los sistemas actuales de comunicaciones para larga distancia y centros de datos. Permiten una alta integración de componentes en un mismo chip y son compatibles con los procesos litográficos existentes para microelectrónica. La creciente demanda de ancho de banda en redes de comunicaciones hace necesaria la búsqueda de mecanismos para mejorar las prestaciones de dichos circuitos fotónicos. En ese sentido, las estructuras periódicas permiten expandir las capacidades de estos dispositivos, ofreciendo un amplio abanico de aplicaciones gracias a sus tres regímenes de operación: sub-longitud de onda, Bragg y radiación.

En esta tesis, se explotan los dos primeros regímenes para llevar a cabo cuatro objetivos. En primer lugar, se ha diseñado un sensor de índice de refracción integrado basado en filtros Bragg de banda ultraestrecha operando a la longitud de onda de 1310 nm para el cual se ha obtenido en simulación una sensibilidad de 507 nm/RIU y un límite de detección intrínseco de 5.1E-5 RIU. En segundo lugar, se ha utilizado un nuevo tipo de estructura sub-longitud de onda para diseñar y demostrar experimentalmente acopladores de interferencia multimodal insensibles a la polarización para la plataforma de silicio sobre aislante de 220 nm, consiguiendo experimentalmente hasta 60 nm de ancho de banda. En tercer lugar, se ha demostrado experimentalmente la capacidad de generar y sintonizar filtros Bragg multibanda en óptica integrada utilizando efectos termoópticos. Por último, se ha hecho uso de las estructuras periódicas para proponer una nueva metodología de diseño inverso basada en celdas de metamateriales periódicos anisótropos. Esta metodología se ha puesto a prueba diseñando un expansor de haz integrado ultracorto con un ancho de banda experimental superior a 150 nm en torno a la longitud de onda de 1550 nm.