Ondas híbridas en guías ópticas ultradelgadas

ONDAS HIBRIDAS EN GUIAS OPTICAS ULTRADELGADAS C. Ojeda, J. Cid y L. To ne Depa amen o de Teo ía de la Señal y Comunicaciones, ETSI Telecomunicación Uni e sidad Poli écnica de Ca aluña, Apdo. 30002, 08080 Ba celona Tel: 4016527; Fax: 4017232; E-mail: [email p o ec ed] Abs ac The exis ence condi ions and wa eguiding p ope ies o new hyb i.d, TE and TM dominan wa es guided by ul a hin o ganic ilms cladded by bi e ingen c ys als a e epo ed. Resumen Los ma e iales o gánicos, cuyas p opiedades óp icas son ácilmen e ajus ables, ienen unas g andes aplicaciones pa a los disposi i os o ónicos in eg ados, pasi os y no lineales, de segundo y e ce o den ( e e.g. [l)). En la ac ualidad se han desa ollado di e en es écnicas de ab icación en geome ias planas y bidimensionales, que p opo cionan guias op icas con dimensiones ípicas del o den de mic óme os. 'La ecnología ac ual pe mi e cons ui ambien películas delgadas y ul adelgadas de espeso meno , del o den de 10-1000 nm, con un con ol p eciso de la es uc u a y dimensiones de la película, po ejemplo median e écnicas de deposición Langmui -Blodge . Nues o obje i o en es a comunicación es pone de mani ies o que es e ipo de guias de onda óp icas, consis en es en películas ul adelgadas sob e un subs a o de c is al bi e ingen e posi i o, si se diseñan adecuadamen e pe mi en la exis encia de ondas adicionales que no habían sido in es igadas con an e io idad. Cen a emos nues a a ención en películas ul adelgadas de espeso D, ecubie as po un c is al bi e ingen e cuyos índices de e acción o dina io y ex ao dina io son n0, y n0 ., y en un medio isó opo con índice de e acción ne, u o o medio bi e ingen e con índices de e acción n0c y nec· A e ec os ilus a i os, los esul ados numé icos co esponde an a los pa áme os ípicos de una película o gánica deposi ada sob e c is al de cua zo, y como cubie a se u iliza á un c is al isó opo ( ípicamen e Co ning) o c is al líquido 5CB, ope ando· con adiación >. = 532nm, p o enien e de un lase de Nd:YAG de ecuencia doblada. Cen a. emos nues a a ención en espeso es en el ango de 50 a 150 nm, que co esponden con los esul ados ípicos dados po las películas ul adelgadas de Langmui - Blodge . Conside amos con igu aciones X o Y -cu , en las que los ejes óp icos de los c is ales se si uan en el plano de la guía, o mando un ángulo B con el eje de la guía. 1225 . " ;.· Con la excepción de las con igu aciones en las que se p oduce p opagación pa alela o pe pendicula al eje óp ico, las ondas guiadas po la es uc u a conside a.da son de ipo híb ido con las seis componen es de campo. La ecnología de óp ica in eg ada emplea ípicamen e con igu aciones y ma e iales pa a los cuales ne3 > n0, > ne ( e. g. guias de onda de LiTa0 3 con cubie a Si0 2 ) . Dichas es uc u as pe mi en la exis encia de ondas TE- TM e h b idas, pe o como es bien conocido, exis e un espeso de co e, mínimo pa a que exis an ondas o almen e guiadas. Sin emba go, las guías de onda adecuadamen e cons uidas con n., > ne > n0 ., no mues an dicho espeso de co e [2]. Las es uc u as asimé icas consis en es en películas ul adelgadas sob e un ma e ial bi e ingen e (con n., # nec y n0, # n0 c, o bien (), # Be) mues an p opiedades análogas, pe mi iendo la exis encia de ondas o almen e guiadas pa a cualquie alo del espeso de la película [3]. Po encima de los alo es de co e, es as ondas son los bien conocidos modos h b idos guiados [4], y pa a D /).. -+ O, con ).. la longi ud de onda de abajo, conducen a las ondas de supe icie guiadas po la in e ase en e la cubie a y el subs a o. La exis encia de es as ondas de supe icie ue pues a de mani ies o po Dyakono [4]. Cuando a amos con un medio isó opo en la cubie a, el ma gen angula de o ien a- ciones del eje óp ico que pe mi e la exis encia de ondas de supe icie guiadas depende muy ue emen e del alo de la bi e ingencia del subs a o y del índice de e acción del ma e ial de la cubie a . Pa a el c is al de cua zo, el in e alo angula pe mi ido es ex emadamen e pequeño, /::;,.() ~ 1° x 10- 3, mien as que P" " cubie as de c is al líquido 5CB los cálculos p edicen alo es ípicos de /::;,.() ~ 0.5°. Sin emba go, el pun o impo an e es que en ambos casos el ma gen angula aumen a ápidamen e con el espeso de la película. Con o me D /).. aumen a, las o ien aciones del co e del eje óp ico se ace can a Oº y 90º. En el caso de una película isó opa, los alo es lími e se alcanzan pa a los espeso es de co e de las ondas guiadas con pola ización TE. Po o a pa e, la azón en e las componen es ans e sales y longi udinales de los campos de la sondas guiadas depende de la o ien ación del eje óp ico, alcanzando el alo mínimo en el pun o de co e de adiación hacia el sub- s a o . Analogamen e, el cálculo de las acciones de po encia TE y TM que anspo a la onda h b ida guiada en una película ul adelgada ( egimen monomodal), mues a que PTE >> Pn1, poniendo de mani ies o la na u aleza TE dominan e de la onda h b ida. C_e_n émonos aho a en las es uc u as asimé icas con medios bi e ingen es en la cu- bie a. · La Figu a l(a) ilus a (no a escala) las o ien aciones pe mi idas del eje óp ico del subs a o que pe mi en la exis encia de ondas guiadas de supe icie en una in e ase simé ica (pe o con ()e # O,), pa a un alo dado de Oc. El in e alo angula de posibles al- o es de O, es á p ac icamen e cen ado en -Oc, y su anchu a depende del alo de Oc. Pa a 1226 ··._ , c..-: una in e ase cua zo-cua zo y Be = 30º, iB '.:::'. 1° X 10- 2, mien as que en un c is al líquido 5CB iB :::::: 2.3°. Con o me c ece el espeso de la película, el ma gen angula aumen a ápidamen e y apa ece un nue o in e alo pe mi ido casi simé ico (cen ado en +Be)· La Figu a 1 (b) es ep esen a i a de una con igu ación ípica de película ul adelgada. Final- men e, la Figu a 1 ( c) co esponde a una cubie a bi e ingen e di e en e al ma e ial que o ma el subs a o. En es e caso, debido a la na u aleza asimé ica de la guía de onda, exis e espeso de co e pa a los modos TE y TM que iene luga pa a Be = O. = Oº, 90º, pe o de nue o no hay co e de las ondas híb idas. Además, las ondas de supe icie guiadas po la in e ase cubie a-subs a o exis en pa a o ien aciones del eje óp ico del subs a o den o del in e alo angula pe mi ido cen ado en ±B.o, donde B.o es la o ien ación del eje óp ico cumpliendo n •• (B. 0) = n0 e(Be), con n0 (B) el índice de e acción ex ao dina io de la onda que se p opaga en el c is al uniaxial. En la Figu a 2 se mues a la dependencia del indice e ec i o de las ondas guiadas con la o ien ación del eje op ico, pa a una mues- a ípica basada en cua zo c is alino con dos espeso es dis in os de la capa guian e, que co esponden a una guía monomodo y a una bimodo. En la egión monomodal la onda guiada es TE dominan e, mien as la segunda es TM dominan e. La Figu a 3 nos mues a la g á ica g oso -o ien ación eje óp ico, donde se obse an las es egiones posibles de op- e ación: zona p ohibida (co e), egión monomodal y zona con p opagación de dos ondas guiadas. En conclusión, el esul ado p incipal de es e abajo es que las guías de onda ade- cuadamen e cons uídas, consis en es en películas ul adelgadas ecubie as po c is ales posi i os bi e ingen es, no mues an co e pa a la exis encia de una onda o almen e guiada con pola ización casi ans e sal, y po lo an o exis en ondas híb idas guiadas po debajo del pun o de co e usual. Las condiciones de exis encia de ales ondas dependen ue emen e de los g oso es de la película y de los di e en es índices de e acción de los ma e iales in oluc ados. Las posibles aplicaciones de es as ondas a disposi i os o ónicos dependen de la posibilidad de sin oniza la o ien ación de co e del eje óp ico a a és de los pa áme os de la guía de ondas, bien con olando el p ocedimien o de ab icación o po medio de p ocedimien os dinámicos. Re e encias [l] L. A. Ho nak ed., "Polyme s o Ligh wa e and In eg a ed Op ics," Ma cel Dekke , NY, 1992. [2) L. To ne , J.P. To es and D. Mihalache, IEEE Pho onics Technol. Le ., 5 (1993) 201. [3) A. Knoesen, T. K. Gaylo d and M. G. Moha am, J. Ligh wa e Technol., 6 (1988) 1083. [4) M.L D'yakono , So . Phys. JETP, 67 (1988) 714. 1227 90° -90º [ -= o 1 C;il 90° -90º ~ L2:...::.I (~) 90° -90º (e) Figu a 1: Diag amas pola es de las o ien aciones del eje óp ico pe mi idas pa a que exis an ondas guiadas en la in e ase y peliculas ul adelgadas. (a)-(b): es uc u a simé ica; (c): in e ase asimé ica. 1.~ 1 . ~ , D/>.•0.2 , , D/>.•0.3 , , , , , , 1.5ó6 ' , 1.&>6 ' ' ' ' ' ' ' ' 1.M-< ' 1.M< e ' ] ' e ' ;> ' " 1-35.! ' :::: 1~ ~ ' " llil ' ~ ' .. 1~ ' "" 1~ , " _;/ .. , :¡; " TE , ¡:: ... ' " :l 1. >51 ' ..... 1.551 ..:: 1. >!iO - ..... -- 1. >!iO ----------- 1.5-49 .!>49 o JO 60 o o JO 60 90 O ien!acion del •i• aplico (g ados) O ien!acion del eje aplico (g ados) Figu a 2: Indice e ec i o de las ondas guiadas en unción de la o ien ación del eje óp ico. (d):D/>. = 0.2; (e): D/>. = 0.3 1228 90 -- "' o " :! e:! ¡.. ~ o REGION i 60 :::: UONOl.IODO ~ o .. ·o;- .. " :! ¡:: 30 o REGION CON -~ DOS MODOS ¡:: "' ·¡:: o o o.o 0.2 0.-4 0.6 0.8 1.0 D/A. Figu a 3: Regiones de exis encia de ondas guiadas en unción de los alo es de la o ien- ación del eje óp ico y del espeso no malizado de la película. 1229 ... ··~