Broadband on-chip Half Maxwell Fisheye

Resumo Técnico: Half Maxwell Fisheye de banda larga em chip

Definição do Problema
A miniaturização de componentes fotônicos é crítica para aumentar o nível de integração e o desempenho de Circuitos Fotônicos Integrados (PICs). A óptica de Índice Gradiente (GRIN) oferece um caminho para essa miniaturização ao permitir o design de perfis de índice arbitrários, potencialmente criando lentes livres de aberrações. O Maxwell Fish-Eye (MFE) é uma lente GRIN historicamente significativa, capaz de formar imagens perfeitas em óptica geométrica. No entanto, sua implementação prática no domínio óptico, particularmente para comprimentos de onda de telecomunicações em plataformas integradas, permanece desafiadora devido a restrições de fabricação. Dispositivos MFE e Half Maxwell Fish-Eye (HMFE) foram demonstrados em micro-ondas, terahertz e em alguns regimes ópticos usando vários materiais (polímeros, cerâmicas, variações de espessura de camada), mas uma implementação robusta e compatível com CMOS para fotônica de silício, operando em um regime de banda larga e não ressonante, é necessária.

Metodologia
Os autores propõem e realizam um HMFE 2D em uma plataforma de Silício sobre Isolante (SOI) para comprimentos de onda de telecomunicações ($\lambda_0 = 1,55$ $\mu$m).

• Estratégia de Design: O HMFE é implementado utilizando um Cristal Fotônico Gradiente (GPC). O dispositivo opera no regime de metamaterial não ressonante, onde o período da rede $a$ é menor que o limite de Bragg ($a < \lambda/2n_{eff}$), garantindo que o cristal fotônico se comporte como um meio homogêneo, isotrópico e quase sem dispersão.
• Perfil de Índice: O perfil de índice de refração radial necessário, $n(r) = n_0 / [1 + (r/R)^2]$, é alcançado variando gradualmente o fator de preenchimento de ar ($\eta$) dos furos de rede hexagonal dentro da camada de silício. Isso modifica o índice efetivo ($n_{eff}$) do modo TE0 guiado.
• Simulação: Simulações de Diferença de Tempo de Domínio de Finitas Diferenças (FDTD) 3D foram conduzidas para verificar as propriedades ópticas, especificamente o foco de uma onda plana incidente.
• Fabricação: O dispositivo foi fabricado em uma camada de silício de 220 nm de espessura (sobre um substrato de 2 $\mu$m de SiO2) usando litografia por feixe de elétrons e corrosão por Plasma de Acoplamento Indutivo (ICP), aderindo a processos compatíveis com CMOS.
• Caracterização: Dois métodos experimentais foram empregados:
  1. Guia de Ondas de Saída em Formato de Leque: Um conjunto de 13 guias de ondas de saída foi utilizado para mapear a distribuição espacial do campo de saída e determinar o comprimento focal variando a distância ($D$) entre a borda da lente e os guias de ondas.
  2. Microscopia Óptica de Campo Próximo com Varredura (SNOM): Um sistema de SNOM de abertura foi usado para escanear a superfície da lente, coletando ondas evanescentes para gerar mapas 2D da intensidade do campo elétrico ($|E|^2$) e da curvatura da frente de onda.

Principais Contribuições e Resultados

• Foco de Banda Larga: As simulações FDTD demonstraram que o HMFE mantém uma excelente capacidade de foco em uma ampla faixa de comprimento de onda (1450 nm a 1590 nm).
• Validação Experimental:
  • A caracterização por guia de ondas em formato de leque confirmou que a onda de saída é concentrada no guia de onda central quando a distância $D=0$ $\mu$m, indicando um comprimento focal na borda da lente. Este comportamento de foco foi observado na faixa de 1380–1640 nm.
  • A caracterização por SNOM a $\lambda_0 = 1550$ nm forneceu evidência visual direta da curvatura da frente de onda dentro da lente e o subsequente foco em um ponto brilhante na borda.
• Desempenho Quantitativo:
  • A Largura à Meia Altura (FWHM) do ponto focal medida via SNOM foi de 0,466$\lambda_0$ (0,723 $\mu$m) a 1550 nm.
  • Este resultado experimental aproxima-se do FWHM simulado de 0,403$\lambda_0$ (0,624 $\mu$m).
  • A espessura da lente é de aproximadamente 3,18$\lambda_0$.
• Tolerância de Fabricação: Apesar de pequenas imperfeições de fabricação onde os menores furos de ar (projetados para 46 nm) foram corroídos para aproximadamente 54 nm, a funcionalidade do dispositivo permaneceu amplamente inalterada, pois essas variações causaram apenas mudanças mínimas no índice efetivo.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer a primeira evidência experimental de um HMFE de banda larga em chip para fotônica de silício operando no regime de metamaterial não ressonante. Os autores afirmam que seus resultados confirmam que a óptica de Índice Gradiente, realizada através de Cristais Fotônicos Gradientes, é uma abordagem viável e eficaz para miniaturizar componentes em Circuitos Fotônicos Integrados. O dispositivo demonstra com sucesso a capacidade de focar uma onda plana incidente em sua superfície plana em sua superfície esférica de saída com alta eficiência e desempenho de banda larga, validando o design teórico através de simulação e rigorosa caracterização experimental. Os autores observam que, devido à natureza não ressonante da operação, espera-se que o dispositivo permaneça funcional em comprimentos de onda mais longos do que os testados.