Design and implementation of nanoantennas on integrated guides and their application on polarization analysis and synthesis

Abstract

La fotónica sobre silicio se ha convertido en la tecnología más importante en la producción de chips integrados fotónicos. Sus grandes ventajas, entre las cuales destacan su idoneidad para la fabricación a gran escala y su bajo coste de producción, como resultado de la posibilidad del uso tecnología CMOS, son motivo suficiente para justificar su supremacía sobre otras plataformas de integración. Pese a los múltiples dispositivos ya implementados en dicha tecnología, entre los que cabe destacar filtros WDM o moduladores electro-ópticos, todavía hay espacio para la mejora, sobre todo en cuanto a la reducción del foot-print de los dispositivos o a la creación de nuevas funcionalidades para la manipulación de la luz. Dichas mejoras podrían llevarse a cabo mediante la integración de componentes con dimensiones sub-lambda surgidos en el campo conocido como plasmónica. Esta disciplina estudia la interacción entre la luz y los metales, que viene mediada por la existencia de ondas conocidas como plasmones de superficie. Una de las propiedades clave de los plasmones es su capacidad para confinar la luz muy por encima del límite de difracción, lo cual es limitante en el caso de la fotónica sobre silicio. Sin embargo, las pérdidas por absorción de los metales a frecuencias ópticas impiden su uso para el guiado de la luz en grandes distancias. Se hace evidente, por tanto, los beneficios de unificar estos dos mundos. Usando el silicio como material conductor de la señal óptica y el metal como eficiente interactor con la luz en estructuras sub-lambda, se pueden crear nuevos dispositivos para la manipulación de las propiedades de la luz en la nanoescala. Esta Tesis está centrada en la integración de estructuras con dimensiones sub-lambda en guías de silicio y en su aplicación a nuevas funcionalidades de manipulación de la luz en chips de silicio. Dichas nanoestructuras sirven de transductores entre la luz guiada y la radiación en espacio libre, por lo que también pueden ser denominadas nanoantenas. Para empezar, se describen las propiedades de los modos guiados en guías de onda de silicio para la correcta excitación de las nanoantenas, seguido de la demostración de técnicas de integración de estas nanoestructuras en las propias guías para aumentar su eficiencia de interacción con la luz guiada. Además, se demuestra el control coherente de la absorción y el scattering de una nanoantenna metálica integrada en una guía de silicio. Por último, a partir del posicionamiento asimétrico de la nanoestructura con respecto a la guía, se proponen y demuestran nuevos métodos de manipulación de la polarización, como la capacidad para sintetizar estados de polarización deseados a escala nanométrica. Esto desembocará en la demostración teórica y experimental de un nanopolarímetro de Stokes, basado en tecnología fotónica sobre silicio, capaz de determinar el estado de polarización de manera local, óptima, y no destructiva, habilitándose su uso para medidas de polarización en tiempo real en circuitos integrados.

Silicon photonics has become the most important technology in integrated photonic chips production. Its great advantages, including its suitability for large-scale production and low-cost production, as a result of the possibility of using CMOS technology, are sufficient reason to justify its supremacy over other integration platforms. Despite the multiple devices already implemented in this technology, among which include WDM filters or electro-optical modulators, there is still room for improvement, especially in terms of reducing the devices footprint or the creation of new functionalities for the manipulation of light. Such improvements could be carried out by integrating components with sub-lambda dimensions arising in the field known as plasmonics. This discipline studies the interaction between light and metals, which is mediated by the existence of waves known as surface plasmons. One of the key properties of plasmons is their ability to confine light well beyond the diffraction limit, which is limiting in the case of silicon photonics. However, losses due to the absorption of metals at optical frequencies prevent their use for guiding light over long distances. Therefore, the benefits of unifying these two worlds becomes evident. By using silicon as the conductive material of the optical signal and the metal as an efficient light interconnector in subwavelength structures, new devices can be created for the manipulation of the properties of light at the nanoscale. This thesis is focused on the integration of structures with subwavelength dimensions in silicon waveguides and in their application to new functionalities of light manipulation in silicon chips. These nanostructures serve as transducers between guided light and free space radiation, so they can also be termed nanoantennas. To begin with, the guided modes properties in silicon waveguides are described for the correct excitation of the nanoantennas, followed by the demonstration of integration techniques of these nanostructures in these waveguides to increase their interaction efficiency with the guided light. In addition, the coherent control of the absorption and scattering of a metallic nanoantenna integrated in a silicon waveguide is demonstrated. Finally, from the asymmetric positioning of the nanostructure with respect to the waveguide, new polarization manipulation methods are proposed and demonstrated, such as the ability to synthesize desired states of polarization at the nanoscale. This will lead to the theoretical and experimental demonstration of a Stokes nanopolarimeter, based on photon-on-silicon technology, capable of determining the polarization state locally, optimally, and non-destructively, enabling its use for real-time polarization measurements in integrated circuits.

La fotònica sobre silici s'ha convertit en la tecnologia més important en la producció de xips integrats fotònics. Els seus grans avantatges, entre les quals destaquen la seva idoneïtat per a la fabricació a gran escala i el seu baix cost de producció, com a resultat de la possibilitat de l'ús tecnologia CMOS, són motiu suficient per justificar la seva supremacia sobre altres plataformes d'integració. Malgrat els múltiples dispositius ja implementats en aquesta tecnologia, entre els quals cal destacar filtres WDM o moduladors electro-òptics, encara hi ha espai per a la millora, sobretot quant a la reducció del foot-print dels dispositius o a la creació de noves funcionalitats per a la manipulació de la llum. Aquestes millores podrien portar-se a terme mitjançant la integració de components amb dimensions sub-lambda sorgits en el camp conegut com plasmònica. Aquesta disciplina estudia la interacció entre la llum i els metalls, que ve intervinguda per l'existència d'ones conegudes com plasmons de superfície. Una de les propietats clau dels plasmons és la seva capacitat per confinar la llum molt per sobre del límit de difracció, la qual cosa és limitant en el cas de la fotònica sobre silici. No obstant això, les pèrdues per absorció dels metalls a freqüències òptiques impedeixen el seu ús per al guiat de la llum en grans distàncies. Es fa evident, per tant, els beneficis d'unificar aquests dos mons. Usant el silici com a material conductor del senyal òptic i el metall com eficient interactor amb la llum en estructures sub-lambda, es poden crear nous dispositius per a la manipulació de les propietats de la llum en la nanoescala. Aquesta Tesi està centrada en la integració d'estructures amb dimensions sub-lambda en guies de silici i en la seva aplicació a noves funcionalitats de manipulació de la llum en xips de silici. Aquestes nanoestructures serveixen de transductors entre la llum guiada i la radiació en espai lliure, de manera que també poden ser denominades nanoantenes. Per començar, es descriuen les propietats de les maneres guiats en guies d'ona de silici per a la correcta excitació de les nanoantenes, seguit de la demostració de tècniques d'integració d'aquestes nanoestructures en les pròpies guies per augmentar la seva eficiència d'interacció amb la llum guiada. A més, es demostra el control coherent de l'absorció i el scattering d'una nanoantenna metàl·lica integrada en una guia de silici. Finalment, a partir del posicionament asimètric de la nanoestructura respecte a la guia, es proposen i demostren nous mètodes de manipulació de la polarització, com la capacitat per sintetitzar estats de polarització desitjats a escala nanomètrica. Això desembocarà en la demostració teòrica i experimental d'un nanopolarímetre de Stokes, basat en tecnologia fotònica sobre silici, capaç de determinar l'estat de polarització de manera local, òptima, i no destructiva, habilitant el seu ús per a mesures de polarització en temps real en circuits integrats.