Acoplador de red de difracción, y sistema y procedimiento para la caracterización de un espécimen mediante su acoplamiento lumínico a éste.

Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) que comprende una guíaonda óptica (101, 201, 301, 401) con primera superficie (102, 202, 302, 402) y una segunda superficie (103, 203, 303, 403) opuesta a dicha primera superficie (102, 202, 302, 402), donde dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401) tiene una red de difracción (110, 210, 310, 410) en una de dichas superficies. Adicionalmente comprende una película de polímero blando (120, 220, 320, 420) depositada sobre y fijada a dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401), donde dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) rodea parcialmente dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401) y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guíaonda óptica (101, 201, 301, 401), siendo así el acopiador de red de difracción (100, 200, 300, 400) montable sobre y temporalmente adherible a un espécimen (230, 330, 430) mediante la fijación de dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) a dicho espécimen (230, 330, 430).

Acoplador de red de difracción, y sistema y procedimiento para la caracterización de un espécimen mediante su acoplamiento lumínico a éste.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a dispositivos ópticos y, más en particular, a acopladores de red de difracción.

Estado de la técnica

Las rejillas o redes de difracción (del inglés, “grating”) ópticas frecuentemente se usan para la excitación fuera del plano de modos de guiaonda. La luz acoplada se puede usar a continuación para propósitos diversos, tales como para transportar la energía electromagnética a lo largo de la guiaonda o para la caracterización de película delgada (del inglés, “thin film”) por el denominado método “m-line”. La excitación del modo de la guiaonda tiene lugar a un ángulo de incidencia muy específico que depende de los parámetros del sistema que comprende una estructura de difracción y una estructura de guiaonda.

Se han descrito diferentes formas de llevar a cabo la excitación fuera del plano de modos de la guiaonda, ya sea en rejillas o redes de difracción de difracción (del inglés, “diffraction gratings”) embebidas en guiaondas o montadas sobre ellas o por medio de acopladores de prisma (del inglés, “prism couplers”) montables, por ejemplo, por R. Ulrich y col., en “Measurement of Thin Film Parameters with a Prism Coupler”, Appl. Opt. 12, 2901-2908 (1973) o por

S. Monneret y col., “m-lines technique: prism coupling measurements and discussion of accuracy for homogeneous waveguides”, J. Opt. A 2, 188-195 (2000) .

Los acopladores de prisma, a pesar de su fiabilidad y su eficacia, tienen varias desventajas: el índice de refracción del prisma debe ser más alto que el índice de propagación efectivo del modo excitado. Este factor no permite utilizar prismas para el acoplamiento de luz en las guiaondas hechas de materiales con un elevado índice de refracción. Además, los prismas son voluminosos. Un prisma que se puede usar para trabajar con muchos chips consecutivamente, pero la integración de varios prismas en cada chip de pequeño tamaño para la fabricación en discontinuo es impracticable.

La longitud típica de los acopladores de red de difracción (del inglés, diffraction grating couplers, DGC) no supera los 100 μm, lo cual proporciona la capacidad de integrar muchos de ellos dentro de una pequeña área de unos pocos milímetros cuadrados. La excitación de un modo de la guiaonda en una rejilla o red de difracción poco profunda (con una profundidad de unas decenas de nanómetros) tiene lugar en un intervalo muy estrecho de ángulos de incidencia. El ángulo de excitación puede variar más de 10−1 grados en respuesta a una variación de 10−2 en el índice de refracción de una guiaonda o de la capa de revestimiento (del inglés, “cladding layer”) . Esta propiedad se usa eficazmente en sensores y se puede aplicar a la caracterización de guiaondas. La determinación del índice de refracción complejo (del inglés, “complex refractive index”) y el grosor de una guiaonda se pueden llevar a cabo tal como se realiza en el método “m-line” para el acoplamiento del prisma.

El problema principal con los acopladores de red de difracción de alta calidad es la complejidad de su fabricación, tal como la precisión elevada, la litografía de resolución submicrométrica, la caracterización de cada rejilla o red de difracción, la compatibilidad de las tecnologías para la fabricación de una corrugación con periodicidad submicrométrica y un sistema de circuitos de onda de luz en la misma muestra. Estos problemas incrementan los costes y complican la fabricación de guiaondas con las rejillas o redes de difracción embebidas. La fabricación de la corrugación en cada muestra, especialmente para la caracterización, es muy cara y laboriosa. Además, una vez fabricada, la rejilla o red de difracción no puede ser extraída de la guiaonda. Además, las redes de difracción generalmente poseen una baja eficacia de acoplamiento, a menos que se aplique un perfil de corrugación complicado o una estructura multicapa, lo cual es difícil de lograr con rejillas o redes de difracción embebidas en las guiaondas. Se ha informado de algunos intentos por

R. Orobtchouk y col., en “High-efficiency light coupling in a sub-micrometric silicon-on-insulator waveguide”, Appl. Opt. 39, 5773-5777 (2000) , por S. Ura y col., en “Efficiency enhanced third order grating coupler”, Appl. Opt. 38, 3003-3007 (1999) y por N. Destouches y col., en “99% efficiency measured in the -1st order of a resonant grating”, Opt. Express 13, 3230-3235 (2005) .

Por otra parte, el PDMS, un elastómero viscoelástico de silicona, se usa ampliamente para litografía suave y se ha aplicado para la fabricación de dispositivos ópticos, incluyendo redes de difracción extensibles, como ha comunicado

A.N. Simonov y col., en “Light scanner based on a viscoelastic stretchable grating”, Opt. Lett. 30, 949-951 (2005) .

Las rejillas o redes de difracción de elastómero puro han sido presentadas recientemente por Kocabas y col., en “High-refractive-index measurement with an elastomeric grating coupler”, Opt. Lett. 30, 3150-3152, en donde se describe una impresión elastomérica que tiene una estructura de rejilla o red de difracción en su superficie (2005) . Tales rejillas o redes evitan la fabricación de los acopladores embebidos en los circuitos ópticos integrados (del inglés, “integrated opitcal circuits”, IOC) . Su fabricación fue como sigue: se vertió polidimetilsiloxano líquido sobre un molde consistente en una rejilla o red de difracción maestra preparada por litografía de interferencia sobre una oblea de silicio (PDMS) . Se colocó una oblea pulida sobre la superficie superior. Después de curar el PDMS líquido, la impresión elastomérica de la rejilla o red se desprendió de la superficie de silicio. La técnica presentada sirve para medir un índice de refracción elevado de guiaondas planas de silicio sobre aislante (del inglés, “silicon-on-insulator”, SOI) y permite que la impresión elastomérica se extraiga sin dañar la superficie de la guiaonda.

Sin embargo, este procedimiento tiene desventajas heredadas de la elasticidad del polímero, como ha comunicado

Y. Xia y col., en “Soft Lithography”, Angew Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998) : La periodicidad de la corrugación se puede distorsionar por varios factores, como la contracción térmica, el colapso lateral y otros. Como consecuencia, la rejilla o red de difracción debe ser lo suficientemente gruesa para evitar el colapso de la corrugación. Otra desventaja es que el índice de refracción del elastómero es fijo y bajo. Como resultado de esto, si la rejilla o red de difracción está diseñada para el acoplamiento de luz dentro o fuera de la guiaonda, se producen longitudes de excitación del acoplador relativamente grandes, especialmente con un elevado confinamiento del modo.

Resumen de la invención

La presente invención trata de resolver los problemas mencionados anteriormente por medio de un acoplador de red de difracción que tiene una guiaonda fabricada de materiales ópticos duros, una red y una parte de polímero blando con el fin de fijar o montar la guiaonda en un substrato o en el espécimen que ha de medirse o caracterizarse. Así, según la presente invención, se usa un elastómero sólo con el propósito del montaje. El dispositivo y el procedimiento aseguran un contacto bueno y reproducible del IOC con el acoplador de red de difracción fabricado separadamente. La guiaonda y la red pueden estar especialmente diseñadas, fabricadas en discontinuo, fijadas a una película de polímero blando (como polidimetilsiloxano) , cuidadosamente caracterizadas y luego instaladas sobre el substrato o espécimen que ha de caracterizarse.

Un aspecto de la invención se refiere a un acoplador de red de difracción que comprende una guiaonda óptica con una primera superficie y una segunda superficie opuesta a dicha primera superficie, donde dicha guiaonda óptica tiene una red de difracción en una de dichas superficies, . El acoplador adicionalmente comprende una película de polímero blando depositada sobre y fijada a dicha guiaonda óptica, donde dicha película de polímero blando rodea parcialmente dicha guiaonda óptica y deja despejada...

1. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) que comprende una guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) con una primera superficie (102, 202, 302, 402) y una segunda superficie (103, 203, 303, 403) opuesta a dicha primera superficie (102, 202, 302, 402) , donde dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) tiene una red de difracción (110, 210, 310, 410) en una de dichas superficies,

caracterizado por que adicionalmente comprende una película de polímero blando (120, 220, 320, 420) depositada sobre y fijada a dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) , donde dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) rodea parcialmente dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) y deja despejada una de dichas dos superficies de dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) , siendo así el acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) montable sobre y temporalmente adherible a un espécimen (230, 330, 430) mediante la fijación de dicha película de polímero blando (120, 220, 320, 420) a dicho espécimen (230, 330, 430) .

2. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según la reivindicación 1, en el que dicha película de polímero blando está hecha de poli (dimetilsiloxano) .

3. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones1ó2, enel que, cuando está montado sobre dicho espécimen (230, 330, 430) , no hay hueco de aire entre dicho acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) y dicho espécimen (230, 330, 430) .

4. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha red de difracción (110, 210, 310, 410) comprende una pluralidad de crestas (112, 212, 312, 412) .

5. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según la reivindicación 4, en el que dichas crestas (112, 212, 312, 412) son de forma rectilínea.

6. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) comprende al menos una capa.

7. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) es una guiaonda plana.

8. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) esta hecha de al menos un material óptico duro.

9. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha red de difracción (110, 210, 310, 410) es grabada químicamente sobre dicha guiaonda óptica (101, 201, 301, 401) .

10. Acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) según la reivindicación 9, en el que dicha red de difracción (110, 210, 310, 410) está hecha de un material diferente del material del que está hecha la capa de la guiaonda (101, 201, 301, 401) sobre la que se graba químicamente dicha red de difracción (110, 210, 310, 410) .

11. Sistema para la caracterización de un espécimen, que comprende:

un acoplador de red de difracción (200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes;

un espécimen (230, 330, 430) en el que está montado dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) por medio de la película de polímero blando (220, 320, 420) de dicho acoplador de la red de difracción (200, 300, 400) ; y

una fuente de luz para iluminar dicho acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) ,

en el que dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) está configurado para acoplar luz procedente de dicha fuente de luz a dicho espécimen (230, 330, 430) , excitando así al menos un modo en la guiaonda (201, 301, 401) comprendida en dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) .

12. Sistema según la reivindicación 11, en el que dicho espécimen (230, 330, 430) es un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.

13. Uso del acoplador de red de difracción (100, 200, 300, 400) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 para medir el índice de refracción de un espécimen, siendo dicho espécimen un material voluminoso o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o una pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.

14. Procedimiento de caracterización de un espécimen, que comprende las siguientes etapas:

- montar un acoplador de red de difracción (200, 300, 400) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 sobre un espécimen (230, 330, 430) , presionando la película de polímero blando (220, 320, 420) de dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) contra dicho espécimen (230, 330, 430) ;

- excitar al menos un modo en la guiaonda (201, 301, 401) comprendida en dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) iluminando dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) con un haz de luz emitido por un láser;

- barrer los ángulos de incidencia de dicho haz de luz emitida sobre dicho acoplador de red de difracción (200, 300, 400) ;

- registrar los ángulos de excitación de los modos de la guiaonda;

- calcular un cierto parámetro del espécimen usando técnicas de modelado.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que dicho espécimen (230, 330, 430) es un material voluminoso

o un material de película delgada depositado sobre un sustrato o una pila de películas delgadas depositadas sobre un sustrato.