CARACTERIZACIÓN DE ANTENAS ÓPTICAS PARA COMUNICACIONES ÓPTICAS J. Alda, J.M. Rico-García, J.M. López-Alonso, J. Zoido, P. Siegman Departamento de Óptica. Universidad Complutense de Madrid. Escuela Universitaria de Óptica. Av. Arcos de Jalón s/n. 28037 Madrid. Tfno: 91.394.6874, fax: 91.394.6885, correo-e: [email protected] 1. Introducción Una antena óptica puede definirse como la combinación de dos elementos [1]: por un lado el sistema que recoge la radiación electromagnética incidente, y por otro lado el sistema que convierte esta radiación en una señal capaz de ser tratada de forma convencional. En el espectro radioeléctrico las antenas se asocian a los elementos encargados de la primera de las funciones. Las estructuras metálicas o dieléctricas utilizadas como antenas proporcionan una señal que transporta información sobre la cantidad de energía recibida y también sobre la fase. Esto es así puesto que en el espectro radioeléctrico existen elementos electrónicos capaces de seguir la señal detectada a la frecuencia de la antena. Sin embargo, las frecuencias de las ondas electromagnéticas correspondientes al espectro óptico (1013-1015 Hz) están muy por encima de la frecuencia máxima detectable por la electrónica de que se dispone en nuestros días. Por esta razón, las antenas ópticas, además de las estructuras metalicas que acoplan el campo electromagnético detectado, incluyen un elemento rectificador que se encarga de producir una señal proporcional a la irradiancia recibida por el dispositivo. A pesar de esta limitación, las antenas ópticas todavía presentan ventajas que las colocan prometedoramente por encima de otro tipo de detectores ópticos. 2.- Características fundamentales de las antenas ópticas. Una de las especificaciones más llamativas de las antenas ópticas está referida a su tamaño. Es bien conocido que las dimensiones de las antenas han de ser del orden de la longitud de onda que se desea detectar. En el caso del espectro óptico, incluyendo el infrarrojo, estas dimensiones son micrométricas y nanométricas. Este hecho convierte a las antenas ópticas en detectores de carácter puntual ya que el área de detección tiene dimensiones comparables a la longitud de onda detectada [2,3]. Esta propiedad también obliga a un diseño cuidadoso de los elementos alrededor de la antena que obliguen a la radiación óptica a confinarse en la región de detección. Debido al pequeño tamaño de los dispositivos y al proceso de rectificación empleado, es esperable que la respuesta temporal de las antenas ópticas sea bastante rápida, considerandose como un valor alcanzable con dispositivos no optimizados tiempos de respuesta de 100 ns. Este límite temporal está ligado a las características térmicas de las estructuras involucradas, por ejemplo, el material bolométrico o el metal utilizado en la unión MOM que se encarga de la rectificación [4], sin embargo, en el caso de los diodos MOM, el mecanismo de rectificación tiene tiempos de respuesta del orden de 10-15-10-16 s siendo este límite la barrera última alcanzable optimizando el resto de elementos de la antena. Uno de los aspectos más interesantes de la utlización de antenas acopladas a sistemas rectificadores es la potencial utilización de las geometrías y diseños desarrollados para el espectro radioeléctrico [5] con diferentes propiedades. Entre estas propiedades caben destacar las siguientes: i) Sensibilidad al estado de polarización. ii) Sensibilidad espectral. Con un diseño adecuado es posible controlar la longitud de onda resonante y producir un elemento

sintonizable. Sin embargo, debido a que la estructura presenta muchas pérdidas a las frecuencias ópticas, la sintonización es relativamente ancha. iii) Direccionalidad: La elección del tipo de antena acoplada va a dar lugar a un diagrama angular de detectividad prefijado. Alguna de estas propiedades es alcanzable y mejorable utilizando los tipos de detectores convencionales basados en semiconductor. Sin embargo no es posible encontrar elementos detectores sencillos capaces de presentar todas estas características simultáneamente. En ese sentido, las antenas ópticas presentan una alternativa ventajosa a los detectores convencionales. Como contrapartida a las ventajas señaladas anterirmente, las antenas ópticas son dispositivos cuyo diseño y análisis es más complejo y requiere de un estudio más detallado. Además, algunos aspectos relacionados con su comportamiento a frecuencias ópticas no ha sido completamente explorado y presenta retos de indudable interés científico y tecnológico. 3. Caracterización de Antenas Ópticas. La labor investigadora de nuestro grupo de trabajo se enmarca dentro del proyecto titulado “Antenas Ópticas. Caracterización espacial, temporal, espectral y electro-óptica para su uso en comunicaciones ópticas”. El objetivo de este proyecto es estudiar la viabilidad de estos dispositivos para su integración en sistemas de comunicaciones ópticas. Para ello se cuenta con la participación del Laboratorio de Sistemas Infrarrojos de CREOL/School of Optics, dirigido por el Prof. Glenn Boreman [6]. Para caracterizar estos dispositivos se ha diseñado una estación de medida específica cuyo esquema puede verse en la figura 1.

Figura 1: Esquema del montaje experimental de la estación de medida. Las medidas de respuesta espacial se realizan utilizando un sistema de precisión nanométrica. Las medidas obtenidas por este sistema son posteriormente deconvolucionadas mediante algoritmos iterativos para producir un mapa de responsividad espacial. Estos algoritmos requieren el conocimiento de la distribución espacial de irradiancia del haz de luz utlizado en la medida. Esta caracterización es laboriosa cuando se emplean fuentes de luz en los que no existen dispositivos formadores de imágenes que puedan proporcionar datos fiables para la caracterización del haz de medida. La caracterización temporal se realiza modulando la excitación óptica hasta alcanzar la frecuencia de corte del dispositivo. Debido a que las antenas que se están midiendo no han sido diseñadas para optimizarlas en aplicaciones de comunicaciones ópticas, es de esperar que la frecuencia de corte se halle en los pocos MHz. Posteriores refinamientos en el diseño deberían ser capaces de incrementar esta frecuencia de corte hasta hacerla competitiva con los dispositivos actualmente más rápidos basados en

semiconductores. La respuesta espectral de las antenas ópticas está ligada a las dimensiones y diseño de estos dispositivos. En este tipo de caracterización se analiza la señal obtenida de la antena óptica cuando la excitación proviene de diversos tipos de fuentes, con características espectrales muy variadas. Para ello se dispone de fuentes en el visible y en el infrarrojo cercano. Estas fuentes son LEDs y láseres de semiconductor. Alguna de estas fuentes son utilizables en enlaces de comunicaciones ópticas de menor ancho de banda. La caracterización electroóptica utiliza los resultados obtenidos en las medidas anteriores para proporcional valores de responsividad, detectividad, relación señal/ruido, después de un análisis específico de la señal. Este apartado resulta de vital trascendencia para la validación de las antenas ópticas en sistemas de comunicaciones ópticas. A partir de los resultados obtenidos en las medidas descritas anteriormente será necesario adecuar el formato, diseño y especificaciones de las antenas ópticas a las exigencias de los sistemas y componentes utlizados en comunicaciones ópticas. 4.- Conclusiones. Las antenas ópticas se presentan como un nuevo tipo de detector óptico en el que es posible separar el sistema que acopla la radiación luminosa, del sistema encargado en convertir ésta en una señal capaz de ser procesada. Este hecho permite construir detectores ópticos con respuestas espaciales de carácter puntual, con direcionalidad controlable, rápidos, sensibles a la polarización, y selectivos espectralmente. Con el fin de analizar la viabilidad de las antenas ópticas en el campo de las comunicaciones ópticas se están acometiendo una serie de medidas que caracterizan la respuesta espacial, temporal, espectral y electroóptica. A partir de estos resultados será posible configurar estrategias de diseño e integración de las antenas ópticas en sistemas convencionales. Bibliografía. [1] G. Boreman, “Divide and Conquer”, SPIE OE Magazine, 47-48, July 2002. [3] J. Alda, C. Fumeaux, I. Codreanu, J. Schaefer, G. Boreman, "A deconvolution method for two-dimensional spatial-response mapping of lithographic infrared antennas," Appl.Opt. 38, 3993-4000 (1999). [3] C. Fumeaux, J. Alda, G. Boreman, "Lithographic antennas at visible frequencies," Opt. Lett. 24, 1629-1631 (1999). [4] C. Fumeaux, W. Herrman, F. K. Kneubühl, H. Rothuizen, “Nanometer thin-film Ni-NiONi diodes for detection and mixing of 30 THz radiation”, Infrared Phys. & Tech. 39, 123183 (1998). [5] I. Codreanu, C. Fumeaux, D. Spencer, G. Boreman, "Microstrip antenna-coupled infrared detector," Electronics Letters 35, 2166-2167 (1999). [6] http://ir.creol.ucf.edu/ (acceso 23/01/2003) Agradecimientos. Este trabajo ha sido posible gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia y Tecnología a través del proyecto TIC 2001-1259.