Desarrollo de estructuras interferométricas bimodales de cristal fotónico en nitruro de silicio para aplicaciones de sensado

Abstract

[ES] La tecnología fotónica es una de las que mayor interés despierta en el campo del desarrollo de dispositivos de sensado, ya que haciendo uso de la interacción de la luz con las sustancias a detectar es posible alcanzar sensibilidades tremendamente elevadas, lo que nos permite detectar bajas concentraciones de esas sustancias de interés. Además, el uso de la tecnología fotónica también aporta otras ventajas relevantes como por ejemplo el tamaño extremadamente reducido de esas estructuras de sensado, la posibilidad de incluir múltiples estructuras en un único chip para realizar un análisis simultáneo de diferentes sustancias o la posibilidad de realizar una detección sin la necesidad de usar marcadores (label-free), entre otras.

Una de las principales estructuras fotónicas utilizadas a la hora de desarrollar elementos de sensado son los interferómetros. En este tipo de estructuras, la luz se divide en dos caminos ópticos independientes, donde uno de ellos estará aislado del medio a analizar (y actuará como referencia) y el otro estará en contacto con ese medio de cara a realizar la detección de la sustancia de interés. A la salida, ambas señales ópticas serán combinadas de nuevo, dando lugar a una respuesta interferométrica determinada por la interacción constructiva/destructiva de esas señales, respuesta que variará cuando se produzca la detección debido al cambio de fase acumulado en el camino de sensado. Este tipo de estructuras de sensado interferométricas tienen la ventaja de que su sensibilidad es proporcional a la longitud de los caminos ópticos, de forma que será posible aumentar la sensibilidad simplemente incrementando esta longitud. Sin embargo, esto hará que el tamaño de estas estructuras de sensado sea elevado, reduciendo así el nivel de integración que se podrá obtener.

En este Trabajo Final de Grado, que se realizará en el Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) de la UPV, se plantea trabajar en el desarrollo de una nueva configuración de estructura interferométrica en la que se hace uso únicamente de una guía de cristal fotónico para conseguir la respuesta deseada. En esta configuración, se excitarán de forma simultánea dos modos ópticos en la guía de cristal fotónico, los cuales interferirán a la salida de la estructura. De esta forma, se reducirá el tamaño de la estructura en un factor de al menos 2 debido a que ya no será necesario disponer de dos caminos ópticos independientes. Pero además, la ventaja principal de esta configuración es que se hará uso del fenómeno de onda lenta que se produce en estas estructuras, de forma que será posible amplificar el cambio de fase experimentado por uno de los modos, consiguiendo así una significativa mejora de la sensibilidad y una reducción del tamaño final. Este concepto ya ha sido demostrado anteriormente por nuestro grupo haciendo uso de estructuras basadas en silicio, de forma que en este Trabajo Final de Grado se plantea la adaptación de este concepto a estructuras basadas en nitruro de silicio, donde se espera que el menor contraste de índices del que se dispone nos permita obtener un aumento de la sensibilidad, así como poder realizar una futura adaptación de la estructura al régimen visible del espectro (en lugar de trabajar en el infrarrojo, como se propone en este trabajo).