Dispositivo óptico y método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del mismo.

Dispositivo óptico y método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del mismo.

Este documento detalla un dispositivo óptico que presenta una nanoantena óptica anexa a una guía de onda óptica, que emite radiación al ser alimentada por alguno de sus extremos mediante luz propagándose por la guía de onda. Así mismo, describe un método que permite alimentar la nanoantena con luz con diferente amplitud y fase en cada señal alimentadora de forma que la polarización de la luz radiada venga determinada por dicha amplitud y fase de cada señal alimentadora. De esa forma se puede sintetizar cualquier polarización de la luz radiada de manera rápida, dinámica y en tiempo real de manera sencilla y eficaz.

Dispositivo óptico y método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del mismo La presente invención se refiere al campo de la óptica.

El objeto de la invención permite realizar una polarización ajustable de la radiación emitida por elemento dispersor de radiación definido por una nanoantena de manera rápida y flexible.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La emisión y / o recepción de la luz se puede lograr con el uso de nanoantenas ópticas que convierten la energía óptica confinada en radiación en el espacio libre. La polarización de la radiación emitida a espacio libre viene determinada por el movimiento del vector campo eléctrico en el plano transversal a la dirección de propagación de la onda. En el campo lejano (es decir, cuando estamos muy lejos de la fuente emisora de radiación), la radiación emitida por un nanoantena tiene una polarización dada, determinada por: el ángulo de radiación, la longitud de onda y las propiedades de la nanoestructura específica, especialmente su geometría.

Un emisor de radiación (como es el caso de una antena) radia ondas electromagnéticas cuya polarización viene dada por la forma física del emisor. Por ejemplo, un dipolo emite polarización lineal en la dirección del eje del dipolo. La misma idea sirve para cualquier régimen espectral, siempre que el tamaño del radiador sea del orden de la longitud de onda de la radiación que emite.

Recientemente, han recibido gran atención las nanoantenas o antenas ópticas, destinadas a convertir luz confinada en volúmenes nanométricos en luz radiada al espacio libre (o vice versa). Debido a la pequeña longitud de onda de la luz (en torno a un micrómetro para el infrarrojo cercano), estas antenas tienen un tamaño muy pequeño, de ahí la inclusión del prefijo "nano" en su denominación. Las aplicaciones de las nanoantenas pueden ser muy variadas, como por ejemplo, biosensado o fotovoltaica. Recientemente, matrices de cientos de nanoantenas han sido integrados en un chip de silicio, ofreciendo enormes posibilidades en los campos de las comunicaciones ópticas y la espectrometría.

En las realizaciones anteriores, la polarización de la radiación emitida una nanoantena es fija para una determinada longitud de onda dada a menos que se altere físicamente o mecánicamente la nanoestructura. Por lo tanto, el control rápido y sintonizable en la polarización de la luz concentrada por un nanoantena no ha sido conseguido hasta la fecha. En general, para cambiar la polarización de la luz emitida de forma dinámica (de forma que la polarización emitida pueda ser sintonizable), hay que alterar la forma física del emisor generalmente por medios mecánicos, lo que en general supone una alta complejidad y una baja velocidad de actuación. Además, el rango de polarizaciones que se pueden alcanzar es limitado, no siendo factible conseguir todos los puntos de la superficie de la esfera de Poincaré con un solo emisor.

En la presente invención, describimos una nanoantena de doble entrada que puede sintetizar cualquier estado de polarización deseada en toda la esfera de Poincaré sintonizando adecuadamente la amplitud y fase relativas de sus dos guías de onda de alimentación. Así mismo, describimos cómo llevar a cabo dicha alimentación de la nanoantena propuesta.

Otra posibilidad propuesta hace años para generar polarizaciones arbitrarias en una antena de radiofrecuencia es mediante la excitación por dos entradas perpendiculares entre sí de una única antena de simetría cuadrada que emite polarización lineal. Usando un esquema

similar, para radiofrecuencia se ha propuesto conseguir polarización circular a partir de dos antenas en proximidad que emiten polarizaciones lineales ortogonales.

Sin embargo, dadas las diferencias en las tecnologías existentes para radiofrecuencia y frecuencias ópticas por encima de 10 terahercios (por ejemplo, a frecuencias ópticas no es posible usar guías metálicas dadas sus altas pérdidas de propagación), no es sencillo exportar directamente las configuraciones propuestas para conseguir la generación de estados arbitrarios de polarización de la luz emitida por una nanoantena.

En el documento "Tuning the polarization States of optical spots at the nanoscale on the Poincare sphere using a plasmonic nanoantenna" / Ogut E; Sendur K / Applied Physics A: Materials Science & Processing se detalla cómo se puede emitir luz con diferentes estados de polarización en la esfera de Poincaré a partir de una nanoantena plasmónica de dipolos cruzados mediante la variación de la longitud horizontal o vertical de la antena o mediante la variación del ángulo de polarización lineal del rayo incidente; donde los estados de polarización se producen para el campo confinado en la zona de la nanoantena

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una nanoantena óptica (elemento emisor de radiación óptica) configurada en una guía de onda dieléctrica de forma que dicha nanoantena se alimenta simultáneamente por los dos extremos de la guía de onda, pudiéndose generar luz con polarización arbitraria. La amplitud y la fase de las señales ópticas guiadas que alimentan la nanoantena por cada una de sus entradas nos permite seleccionar el estado de polarización de la luz radiada. La presente invención también describe un esquema de alimentación óptica de la nanoantena que permite conseguir la mencionada síntesis de polarización. En una posible realización de la nanoantena que ha sido probada, ésta tiene una operación de banda ancha alrededor de 1550 nm, irradiando la luz polarizada en un ángulo de aproximadamente 45 0 o -45 0 dependiendo de la entrada que se utiliza (precisamente , ± 43,7 0 a 1540 nm , ± 46,4 0 a 1550 nm , y ± 49,8 0 en 1560 nm de acuerdo con las simulaciones). El porcentaje de la potencia radiada en la polarización ortogonal no deseada es menos de 1 % en todo el rango espectral de 1540 nm - 1560 nm. El área efectiva de la nanoantena, definida como la potencia recibida por la nanoantena dividida por la densidad de potencia incidente sobre la misma en la dirección normal, es de 8,390 nm2 o el 6 % de la superficie física de la nanoantena. Si bien las dimensiones de la nanoantena pueden variar, al igual que su ubicación con respecto de la guía de onda, así como los posibles materiales que la constituyen.

Otro aspecto de la invención es aquel referido a un método de síntesis de la polarización de la radiación emitida por la nanoantena cuando se inyecta una señal óptica por los dos extremos de la guía de onda a la cual se encuentra fijada o definida adyacente la citada nanoantena. Los dos extremos de esta guía de onda pueden entenderse como dos guías de onda distintas que alimentan a la nanoantena desde direcciones distintas. Este aspecto de la invención detalla el modular la relación entre la amplitud y/o la fase de la señal inyectada en cada uno de las guías de onda que alimentan la nanoantena. Además se propone hacer uso de una única guía de onda que luego se separa por un bifurcador en Y que genera dos guías de onda, para conseguir ambas entradas que se unen en la citada nanoantena, formando un lazo o "loop". La modulación en tiempo real y de manera dinámica de la amplitud y fase relativa de la señal óptica que entra en la nanoantena desde cada una de sus entradas se lleva a cabo haciendo uso de un modulador colocado en cada una de las guías tras la bifurcación, que permite ajustar la amplitud y fase de cada señal óptica de cada una por separado. Por otra parte, puesto que la síntesis de polarización depende únicamente de la relación entre la amplitud y la fase relativas de cada una de las entradas, y no del valor individual de cada una, es posible hacer uso de un único modulador en

solamente una de las guías de entrada, ya que variando la amplitud y fase de ésta única guía se logra modificar la relación entre la amplitud y fase de ambas guías.

En este caso la polarización de la onda radiada no depende únicamente de la forma del emisor, sino también de la interferencia de las dos ondas guiadas que lo alimentan. Al contrario que en las soluciones conocidas en el estado de técnica en radiofrecuencia, no se hace la alimentación de dos elementos radiantes metálicos perpendiculares entre sí, ni las guías usadas son metálicas; si no que las alimentaciones son mediantes guías dieléctricas y el elemento radiante es una única estructura, que puede ser también dieléctrica, como por ejemplo una simple protuberancia en las guías de alimentación.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos...

1. Dispositivo óptico caracterizado porque comprende:

un elemento de dispersión (1) adyacente a una guía de onda óptica conectada a un bifurcador óptico simétrico conectado a una fuente de luz coherente (6) y que define la guía óptica a modo de lazo cerrado con inicio y fin en dicho bifurcador, generado dos caminos (4,5) que van desde dicho bifurcador hasta el elemento de dispersión (1) y definen una primera y segunda guías de onda de entrada (2,3), y

al menos un modulador (41,51) destinado a modular al menos en amplitud y/o fase una señal óptica inyectada en la guía óptica desde la fuente de luz coherente (6).

2. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión es un saliente ortogonal al eje longitudinal de la guía de onda.

3. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1) es un prisma de 216 nm de anchura, 617 nm de altura y 240 nm de espesor.

4. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1) es un sólido de revolución.

5. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1) se encuentra ubicado sobre la guía de onda óptica.

6. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento de dispersión (1) está hecho de un material metálico.

7. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizada porque el elemento de dispersión (1) está hecho de un material dieléctrico diferente del silicio.

8. Dispositivo óptico según reivindicación 1 caracterizado porque se encuentra comprendida en un substrato de silicio.

9. Método de síntesis de polarización de radiación que hace uso del dispositivo óptico descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, método caracterizado porque comprende:

inyectar una señal óptica en la guía de onda óptica,

hacer pasar dicha señal óptica por el bifurcador, donde la señal se separa en dos caminos (4,5) y sigue respectivos tramos de guía óptica hasta las primera y segunda guías de onda de entrada (2,3),

hacer llegar cada parte de la señal a través de las guías de onda de entrada (2,3), hasta el elemento de dispersión (1) haciendo que éste produzca una radiación, y

modular en al menos uno de los dos caminos (4,5) al menos uno de los parámetros de la señal óptica a inyectar, parámetros que se seleccionan de entre: amplitud y fase.

10. Método según reivindicación 9 caracterizado porque los parámetros se modulan haciendo uso de al menos uno de los moduladores (41,51) ubicado en al menos uno de los caminos (4,5).

11. Método según reivindicación 9 ó 10 caracterizado porque los parámetros se modulan de manera independiente haciendo uso de un modulador (41,51) dedicado a cada parámetro.