Ultrafast Laser Microprocessing of Transparent Dielectrics. New Schemes for the Fabrication of Photonic Devices

Resumen

Ultrafast laser microprocessing of transparent materials has attracted an increasing research interest due to the unique properties of laser-matter interaction at ultrashort time scales. In particular, the possibility to produce controlled local modifications of the refractive index in dielectrics has opened the door to the microfabrication of 3D integrated photonic circuits. In this work, new strategies for the optimization of the techniques for the fabrication of optical waveguides in crystalline materials as well as for their characterization are presented. The use of these strategies is a contribution to the technological development for the fabrication of integrated complex photonic devices. The fabricated photonic structures are based on Type II modifications in crystals and different waveguides were used such as Stressed induced waveguides and Depressed cladding waveguides. In the case of stressed induced waveguides a new approach in which an interferometer was used to generate two femtosecond laser beams that, focused with certain lateral separation inside the crystal, produces two simultaneous parallel damage tracks with a single scan was implemented. On the other hand, the fabrication of waveguides arrays based on depressed cladding waveguides is presented. The arrays consist of divergent hexagonal waveguides with different separations between them at the exit of the crystal. The results show a good performance of the fabricated structures and suggest a promising potential use in photonic applications such as photonic lanterns, which can be easily implemented in other transparent materials. It is also presented a novel kind of structures called photonic lattice-like structures which emulates in shape, the photonic crystal fibers. These structures present attractive characteristics such the fact of being able to manipulate the cross section along the waveguide by introducing axial defects which allows beam manipulation in a controlled and reproducible manner. This important characteristic offers the possibility of fabricate monolithic structures. A study of the ultrafast laser-induced modifications of femtoseconds pulses in the nanostructured polycrystalline YSZ ceramic, a very promising material for bio-medical applications, as well as the study and the integration of optical waveguides in this material is also presented. In addition, properties such as its ablation threshold and the nonlinear optical coefficients were characterized. Finally, a preliminary study of the temporal features of ultrashort pulses propagating to different types of waveguides is presented. El microprocesado de materiales transparentes con pulsos láser ultracortos ha atraído un creciente interés en la investigación debido a las propiedades únicas de la interacción láser- materia a escalas de tiempo ultracortas. En particular, la posibilidad de producir modifi- caciones locales controladas del índice de refracción en dieléctricos abrió la puerta a la microfabricación 3D de circuitos fotónicos integrados. En este trabajo se presentan nuevas estrategias para la optimización de las técnicas para la fabricación de guías de ondas ópticas en materiales cristalinos, así como para su caracterización. El uso de estas estrategias es una contribución al desarrollo tecnológico para la fabricación de dispositivos fotónicos complejos. Las estructuras fotónicas fabricadas están basadas en modificaciones Tipo II en cristales, en este contexto distintas técnicas tales como Guias con estrés inducido y Guias depressed cladding fueron utilizadas. En el caso de las guías de onda con estrés inducido, se utilizó un nuevo esquema de fabricación en el que se utilizó un interferómetro para generar dos haces láser de femtosegundos que, enfocados con cierta separación lateral dentro del cristal, producen simultáneamente dos tracks de daño con un solo barrido. Por otra parte, se presenta la fabricación de arreglos de guías de onda basados en guías depressed cladding. Los arreglos consisten en guías de ondas hexagonales divergentes entre sí y con distintas separaciones entre ellas a la salida del cristal. Los resultados muestran un rendimiento óptimo de las estructuras fabricadas y sugieren un uso potencial en aplicaciones fotónicas tales como linternas fotónicas, las cuales pueden ser fácilmente implementadas en otros materiales transparentes. También se presenta un nuevo tipo de estructuras llamadas guías con estructura fotónica que emulan en forma, a las fibras de cristal fotónico. Estas estructuras presentan características atractivas tales como el hecho de poder manipular su sección transversal a lo largo de la guía de onda introduciendo defectos axiales que permitan la manipulación del haz de una manera controlada y reproducible. Esta importante característica ofrece la posibilidad de fabricar estructuras monolíticas. También se presenta un estudio de las modificaciones inducidas por pulsos de femtosegundos en la cerámica nanoestructurada YSZ, un material prometedor para aplicaciones biomédicas, así como el estudio y la integración de guías de ondas ópticas en este material. Además, se caracterizaron propiedades tales como el umbral de ablación y las propiedades ópticas no lineales. Finalmente, se presenta un estudio preliminar de las características temporales pulsos ultracortos al propagarse en distintos tipos de guías de onda.