Broadband on-chip Half Maxwell Fisheye

Sintesi Tecnica: Half Maxwell Fisheye su chip a banda larga

Definizione del Problema
La miniaturizzazione dei componenti fotonici è fondamentale per aumentare il livello di integrazione e le prestazioni dei Circuiti Integrati Fotonici (PIC). L'ottica a Indice Gradiente (GRIN) offre una via per questa miniaturizzazione consentendo la progettazione di profili di indice arbitrari, creando potenzialmente lenti prive di aberrazioni. Il Maxwell Fish-Eye (MFE) è una lente GRIN di rilevanza storica, capace di formare immagini perfette nella ottica geometrica. Tuttavia, la sua implementazione pratica nel dominio ottico, in particolare per lunghezze d'onda delle telecomunicazioni su piattaforme integrate, rimane problematica a causa dei vincoli di fabbricazione. Dispositivi MFE e Half Maxwell Fish-Eye (HMFE) sono stati dimostrati nel dominio delle microonde, dei terahertz e in alcuni regimi ottici utilizzando vari materiali (polimeri, ceramiche, spessori di strati variabili), ma è richiesto un'implementazione robusta e compatibile con i processi CMOS per la fotonica sul silicio operante in un regime a banda larga e non risonante.

Metodologia
Gli autori propongono e realizzano un HMFE 2D su una piattaforma Silicon On Insulator (SOI) per lunghezze d'onda delle telecomunicazioni ($\lambda_0 = 1,55$ $\mu$m).

• Strategia di Design: L'HMFE è implementato utilizzando un Cristallo Fotonico Gradiente (GPC). Il dispositivo opera nel regime metamateriale non risonante, dove il periodo del reticolo $a$ è inferiore al limite di Bragg ($a < \lambda/2n_{eff}$), garantendo che il cristallo fotonico si comporti come un mezzo omogeneo, isotropo e quasi privo di dispersione.
• Profilo di Indice: Il profilo di indice di rifrazione radiale richiesto, $n(r) = n_0 / [1 + (r/R)^2]$, è ottenuto variando gradualmente il fattore di riempimento dell'aria ($\eta$) dei fori esagonali di aria all'interno dello strato di silicio. Ciò modifica l'indice efficace ($n_{eff}$) del modo guidato TE0.
• Simulazione: Sono state condotte simulazioni 3D Finite-Difference Time-Domain (FDTD) per verificare le proprietà ottiche, specificamente la focalizzazione di un'onda piana incidente.
• Fabbricazione: Il dispositivo è stato fabbricato su uno strato di silicio spesso 220 nm (su un substrato di 2 $\mu$m di SiO2) utilizzando la litografia elettronica a fascio di elettroni e l'incisione Inductively Coupled Plasma (ICP), aderendo a processi compatibili con il CMOS.
• Caratterizzazione: Sono stati impiegati due metodi sperimentali:
  1. Guide d'onda di uscita a ventaglio: Un set di 13 guide d'onda di uscita è stato utilizzato per mappare la distribuzione spaziale del campo in uscita e determinare la lunghezza focale variando la distanza ($D$) tra il bordo della lente e le guide d'onda.
  2. Microscopia Ottica a Campo Vicino a Scansione (SNOM): Un sistema aperture-SNOM è stato utilizzato per scansionare la superficie della lente, raccogliendo onde evanescenti per generare mappe 2D dell'intensità del campo elettrico ($|E|^2$) e della curvatura del fronte d'onda.

Contributi Chiave e Risultati

• Focalizzazione a Banda Larga: Le simulazioni FDTD hanno dimostrato che l'HMFE mantiene un'eccellente capacità di focalizzazione attraverso un ampio intervallo di lunghezze d'onda (da 1450 nm a 1590 nm).
• Validazione Sperimentale:
  • La caratterizzazione tramite guida d'onda a ventaglio ha confermato che l'onda in uscita è concentrata nella guida d'onda centrale quando la distanza $D=0$ $\mu$m, indicando una lunghezza focale al bordo della lente. Questo comportamento di focalizzazione è stato osservato nell'intervallo 1380–1640 nm.
  • La caratterizzazione SNOM a $\lambda_0 = 1550$ nm ha fornito una prova visiva diretta della curvatura del fronte d'onda all'interno della lente e della successiva focalizzazione in un punto luminoso al bordo.
• Prestazioni Quantitative:
  • La larghezza a metà massimo (FWHM) del punto focale misurata tramite SNOM è stata di 0,466$\lambda_0$ (0,723 $\mu$m) a 1550 nm.
  • Questo risultato sperimentale corrisponde strettamente alla FWHM simulata di 0,403$\lambda_0$ (0,624 $\mu$m).
  • Lo spessore della lente è di circa 3,18$\lambda_0$.
• Tolleranza di Fabbricazione: Nonostante le lievi imperfezioni di fabbricazione in cui i fori d'aria più piccoli (progettati a 46 nm) sono stati incisi a circa 54 nm, la funzionalità del dispositivo è rimasta ampiamente inalterata, poiché tali deviazioni hanno causato solo cambiamenti minimi nell'indice efficace.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire la prima evidenza sperimentale di un HMFE a banda larga su chip per la fotonica sul silicio operante nel regime metamateriale non risonante. Gli autori affermano che i loro risultati confermano che l'ottica a Indice Gradiente, realizzata attraverso Cristalli Fotonici Gradiente, è un approccio vitale ed efficace per miniaturizzare i componenti nei Circuiti Integrati Fotonici. Il dispositivo dimostra con successo la capacità di focalizzare un'onda piana incidente sulla sua superficie piana sulla sua superficie di uscita con alta efficienza e prestazioni a banda larga, validando il design teorico attraverso sia la simulazione che una rigorosa caratterizzazione sperimentale. Gli autori osservano che, grazie alla natura non risonante dell'operazione, il dispositivo dovrebbe rimanere funzionale anche a lunghezze d'onda superiori a quelle testate.