Dispositivos reconfigurables fotónicos basados en materiales de cambio de fase no convencionales

• Autores: Gonzalo Santos Perodia
• Directores de la Tesis: Fernando Moreno Gracia (dir. tes.), Yael Gutiérrez Vela (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2024
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Reconfigurable photonic devices based on unconventional phase change materials
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Víña Liste (presid.), Pablo Sanchis Kilders (secret.), Shirly Espinoza Herrera (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología por la Universidad de Cantabria
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Radiación infrarroja
      • Luz
      • Propiedades ópticas de los sólidos
      • Radiación visible
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UCrea
• Resumen

  • Recientes avances en nanofabricación han generado importantes avances tecnológicos en dispositivos que se basan en la interacción entre la luz y materiales nanoestructurados. Como resultado, la nanofotónica ha ganado considerable atención en diversos campos, desde investigaciones fundamentales hasta implementaciones prácticas. La creciente importancia del procesamiento de datos de alta velocidad con un consumo mínimo de energía ha estimulado el uso de la luz para el transporte y procesamiento de señales. Mediante el empleo de nanoestructuras, los requisitos energéticos y los tiempos de interacción pueden reducirse significativamente, lo que permite la integración de numerosos dispositivos capaces de controlar, modular y procesar señales de luz con una velocidad y eficiencia energética notables. No obstante, la eficiente confinación de la luz en volúmenes cada vez más pequeños enfrenta obstáculos significativos, como las pérdidas ópticas.

    Para mejorar la versatilidad de la nanofotónica, la integración de materiales con propiedades ópticas que pueden ser moduladas mediante estímulos externos ha surgido como una posible solución para sistemas nanofotónicos sintonizables. La nanofotónica reconfigurable ofrece ventajas notables sobre los dispositivos convencionales al ofrecer la capacidad de ajustar dinámicamente su respuesta en tiempo real, satisfaciendo los requisitos cambiantes de ciertas aplicaciones fotónicas, como la conmutación de color o la modulación de amplitud en guías de onda cubiertas. El dióxido de vanadio (VO2) y los materiales calcogénidos de cambio de fase (PCMs) son ejemplos representativos de materiales activos tradicionales. El VO2 experimenta una transición de aislante a metal (IMT) por encima de 68°C. Esta transición induce alteraciones en la estructura electrónica, lo que resulta en una modulación de sus propiedades ópticas. Por otro lado, los PCMs como el Ge2Sb2Te5 (GST) demuestran la capacidad de experimentar transformaciones reversibles entre fases amorfas y cristalinas, acompañadas de variaciones sustanciales de hasta el 50% en el índice de refracción. Aunque el GST y el VO2 son ampliamente utilizados y conocidos por la comunidad científica, sus considerables pérdidas ópticas en los rangos visible (VIS) y infrarrojo cercano (NIR) han surgido como un obstáculo en el desarrollo de dispositivos ópticos basados en estos materiales. Por esta razón, esta investigación tiene como objetivo utilizar materiales de cambio de fase no convencionales (Sb2S3 y Sb2Se3) y materiales novedosos con transiciones químicas adaptadas (MoOx) para diseñar dispositivos nanofotónicos reconfigurables que operen en las longitudes de onda visible y de telecomunicaciones. Los dispositivos nanofotónicos reconfigurables desarrollados en esta tesis son: pantallas de colores reflectantes dinámicas, moduladores de guía de ondas, fotodetectores de electrones calientes sintonizables, conmutadores ópticos basados en el ángulo de Brewster y metasuperficies de dispersión direccional.