Broadband on-chip Half Maxwell Fisheye

Resumen Técnico: Lente de Ojo de Pez de Maxwell (Half Maxwell Fisheye) de banda ancha en chip

Planteamiento del Problema
La miniaturización de los componentes fotónicos es crítica para aumentar el nivel de integración y el rendimiento de los Circuitos Integrados Fotónicos (PIC). La óptica de Índice Gradiente (GRIN) ofrece una vía para esta miniaturización al permitir el diseño de perfiles de índice arbitrarios, creando potencialmente lentes libres de aberraciones. El Ojo de Pez de Maxwell (MFE) es una lente de GRIN históricamente significativa capaz de formar imágenes perfectas en la óptica geométrica. Sin embargo, su implementación práctica en el dominio óptico, particularmente para longitudes de onda de telecomunicaciones en plataformas integradas, sigue siendo un desafío debido a las restricciones de fabricación. Aunque los dispositivos MFE y de Medio Ojo de Pez de Maxwell (HMFE) han sido demostrados en las regiones de microondas, terahercios y algunos regímenes ópticos utilizando diversos materiales (polímeros, cerámicas, variaciones en el espesor de las capas), se requiere una implementación robusta y compatible con CMOS para la fotónica de silicio que opere en un régimen de banda ancha y no resonante.

Metodología
Los autores proponen y realizan un HMFE 2D en una plataforma de Silicio sobre Aislante (SOI) para longitudes de onda de telecomunicaciones ($\lambda_0 = 1.55$ $\mu$m).

• Estrategia de Diseño: El HMFE se implementa utilizando un Cristal Fotónico Graduado (GPC). El dispositivo opera en el régimen de metamaterial no resonante, donde el periodo de la red $a$ es menor que el límite de Bragg ($a < \lambda/2n_{eff}$), asegurando que el cristal fotónico se comporte como un medio homogéneo, isotrópico y casi sin dispersión.
• Perfil de Índice: El perfil de índice de refracción radial requerido, $n(r) = n_0 / [1 + (r/R)^2]$, se logra variando gradualmente el factor de llenado de aire ($\eta$) de los agujeros de aire de la red hexagonal dentro de la capa de silicio. Esto modifica el índice efectivo ($n_{eff}$) del modo TE0 guiado.
• Simulación: Se realizaron simulaciones de Dominio del Tiempo de Diferencia Finita (FDTD) en 3D para verificar las propiedades ópticas, específicamente el enfoque de una onda plana incidente.
• Fabricación: El dispositivo se fabricó sobre una capa de silicio de 220 nm de espesor (sobre un sustrato de 2 $\mu$m de SiO2) utilizando litografía de haz de electrones y grabado por Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP), adhiriéndose a procesos compatibles con CMOS.
• Caracterización: Se emplearon dos métodos experimentales:
  1. Guías de Onda de Salida en Forma de Abanico: Se utilizó un conjunto de 13 guías de onda de salida para mapear la distribución espacial del campo de salida y determinar la longitud focal variando la distancia ($D$) entre el borde de la lente y las guías de onda.
  2. Microscopía Óptica de Campo Cercano de Barrido (SNOM): Un sistema SNOM de apertura se utilizó para escanear la superficie de la lente, recolectando ondas evanescentes para generar mapas 2D de la intensidad del campo eléctrico ($|E|^2$) y la curvatura del frente de onda.

Contribuciones Clave y Resultados

• Enfoque de Banda Ancha: Las simulaciones FDTD demostraron que el HMFE mantiene una excelente capacidad de enfoque a través de un amplio rango de longitudes de onda (1450 nm a 1590 nm).
• Validación Experimental:
  • La caracterización mediante guías de onda en forma de abanico confirmó que la onda de salida se concentra en la guía de onda central cuando la distancia $D=0$ $\mu$m, indicando una longitud focal en el borde de la lente. Este comportamiento de enfoque se observó en el rango de 1380–1640 nm.
  • La caracterización por SNOM a $\lambda_0 = 1550$ nm proporcionó evidencia visual directa del frente de onda curvándose dentro de la lente y el subsiguiente enfoque en un punto brillante en el borde.
• Rendimiento Cuantitativo:
  • El Ancho de Mitad Máxima (FWHM) del punto focal medido mediante SNOM fue de 0.466$\lambda_0$ (0.723 $\mu$m) a 1550 nm.
  • Este resultado experimental coincide estrechamente con el FWHM simulado de 0.403$\lambda_0$ (0.624 $\mu$m).
  • El espesor de la lente es aproximadamente 3.18$\lambda_0$.
• Tolerancia de Fabricación: A pesar de las menores imperfecciones de fabricación donde los agujeros de aire más pequeños (diseñados a 46 nm) fueron grabados a aproximadamente 54 nm, la funcionalidad del dispositivo permaneció prácticamente inalterada, ya que estas desviaciones solo causaron cambios mínimos en el índice efectivo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera evidencia experimental de un HMFE de banda ancha en chip para fotónica de silicio operando en el régimen de metamaterial no resonante. Los autores sostienen que sus resultados confirman que la óptica de Índice Gradiente, realizada a través de Cristales Fotónicos Graduados, es un enfoque viable y efectivo para miniaturizar componentes en Circuitos Integrados Fotónicos. El dispositivo demuestra con éxito la capacidad de enfocar una onda plana incidente en su superficie plana hacia su superficie esférica de salida con alta eficiencia y rendimiento de banda ancha, validando el diseño teórico mediante simulación y una rigurosa caracterización experimental. Los autores señalan que, debido a la naturaleza no resonante de la operación, se espera que el dispositivo siga siendo funcional en longitudes de onda más largas que las probadas.