Estudio de la dinámica de los mecanismos involucrados en el procesado de dieléctricos con pulsos láser ultracortos

Resumen

En las últimas décadas la fibra óptica se ha convertido en uno de los principales medios de flujo de información, formando grandes redes continentales y transoceánicas de comunicación. Su elevado ancho de banda permite multiplexar en una fibra un gran número de señales de información por medio de la discriminación por longitud de onda. Además, su reducido peso y tamaño junto a su inmunidad frente a emisiones electromagnéticas y de radiofrecuencia, ha hecho que haya sustituido casi por completo al cable de cobre en numerosas aplicaciones. El impulso de las comunicaciones ópticas a grandes distancias por medio de fibra óptica ha servido como empuje para el desarrollo de otros componentes ópticos integrados en fibra y guía de onda, más allá del amplificador óptico, y que son esenciales en las redes de comunicación. Dispositivos como acopladores, filtros o redes de difracción ópticas han sido desarrollados en las últimas décadas, basados en modificaciones de fibras ópticas, para facilitar así el ensamblaje con estas en los sistemas de comunicaciones ópticas. Unido al desarrollo de las comunicaciones ópticas a grandes distancias ha aparecido un segundo foco de interés centrado en la generación de dispositivos intermedios (conmutadores, acopladores, etc.) y finales (emisores, receptores, computadores, etc.) puramente ópticos y de menor tamaño que los basados en fibra. Los actuales dispositivos, en los que conviven partes ópticas con electrónicas, sufren una limitación en su velocidad de proceso como consecuencia de las conversiones de señal óptica a electrónica y viceversa. El desarrollo de dispositivos puramente ópticos requiere la implementación de chips ópticos que sustituyan a los electrónicos. En este sentido, en los últimos años se han producido importante avances en el desarrollo de nuevos materiales óptimos para la fabricación de chips ópticos así como de las técnicas de fabricación de dispositivos ópticos integrados, superficiales o en el seno del material. Desde el punto de vista del desarrollo de nuevos materiales para la fabricación de chips ópticos, los esfuerzos se han centrado en dos aspectos: - Que sean fácilmente dopados con iones de tierras raras gracias a la solubilidad de los iones en su matriz, y con baja energía de fonón para reducir las perdidas asociadas a excitaciones multifotónicas. Ejemplos de este tipo de materiales son los vidrios de óxidos de metales pesados (HMO), los vidrios de teluritos o los materiales cerámicos transparentes. - Que posean, en algunas aplicaciones, propiedades ópticas no-lineales, i.e un índice de refracción no-lineal elevado, como los vidrios de HMO o de teluritos. Esta característica permite su uso para generar de dispositivos ópticos que aprovechan efectos ópticos no-lineales, i.e. efecto Kerr, para conseguir por ejemplo la conmutación de señales con esquemas basados en acopladores direccionales no-lineales o interferómetros tipo Mach-Zahnder o Fabry-Pérot. En cuanto al desarrollo de las técnicas de fabricación de dispositivos ópticos integrados (activos y pasivos), el procesado no-lineal de materiales dieléctricos, en particular de vidrios activos, mediante técnicas de procesado determinista (escritura directa) con pulsos láser ultracortos se ha convertido en una de las tecnologías emergentes con mayor potencial de futuro. Este hecho se debe a la aparición de láseres de pulsos ultracortos (pico- o femtosegundos) con longitudes de onda en el infrarrojo que permiten la irradiación del material con aportan densidades de energía instantáneas elevadas. Si se aplican estas fuentes a dieléctricos se logra una deposición controlada de la energía en un volumen pequeño en torno al foco al combinar los efectos de absorción no-lineales e ionización por avalancha. Además, la corta duración de pulso asegura un daño colateral reducido por efectos térmicos, consiguiéndose así una precisión nanométrica en el depósito de energía. Todo ello puede conducir a cambios estructurales y/o modificaciones del índice de refracción del material en un volumen de pocas micras cúbicas, dejando inalterada la superficie. Moviendo la muestra durante la irradiación a una velocidad determinada se pueden escribir guías de onda y otros dispositivos fotónicos en configuración 3-D. La primera demostración de este principio fue realizada por el grupo del profesor Hirao hace tan solo una década. El mayor aliciente de la técnica de escritura directa con pulsos ultracortos es su versatilidad velocidad de procesado, capaz de generar estructuras con configuración 3D con una densidad de integración sustancialmente mayor que la accesible en dispositivos planares. El conjunto de dispositivos fabricados hasta la fecha por medio de esta técnica incluye memorias ópticas 3D, guías de onda pasivas, guías de onda funcionales, amplificadores, y recientemente láseres integrados en guía de onda. Por otro lado, si el pulso láser ultracorto es enfocado en la superficie, los efectos no-lineales de absorción siguen permitiendo la deposición de energía en el material, favoreciendo la generación de estructuras superficiales por medio de la ablación. Pese al amplio uso de los sistemas láser de pulsos ultracortos en la generación de estructuras superficiales incluso nanométricas, su empleo en la producción de dispositivos fotónico planares, más allá de elementos difractivos, es limitado, i.e guías de onda planas en materiales como Nd:Gd3Ga5O12, ß-BBO cristalino y Nd:YAG cerámico. Pese a todos los hitos conseguidos en el desarrollo de los dispositivos fotónicos integrados generados por escritura directa, En este contexto favorable, con numerosos logros en la fabricación de dispositivos fotónicos integrados por medio de escritura directa con pulsos ultracortos, todavía existen muchas incógnitas abiertas y por ello se requieren estudios profundos destinados a optimizar el procesado de materiales de tal modo que se mejoren las prestaciones de los dispositivos y se generen perspectivas de aplicación aun mejores. Entre estas incógnitas se encuentra la necesidad de conocer en detalle la dinámica de los procesos involucrados y su relación con los cambios estructurales y de índice de refracción del material. Solo estudiando la respuesta dinámica del material será posible identificar los parámetros óptimos del pulso láser que permitan la generación de estructuras con propiedades definidas y controladas. Además, es importante tener en cuenta que no existe una aproximación universal valida para el procesado de cualquier dieléctrico debido a que las propiedades ópticas, térmicas y mecánicas de cada material juegan un papel importante tanto en los procesos de absorción de energía como en la naturaleza de las modificaciones inducidas. Ha sido por ello necesario la implementación de un sistema que permite una observación in-situ de la dinámica de los procesos involucrados durante el procesado como es la técnica de microscopia óptica con resolución temporal de femtosegundos en superficie y en el seno del material. Esta técnica permite obtener, con una resolución espacial y temporal excelente, la evolución de la reflectancia y la transmisión del material irradiado en superficie o en volumen con pulsos láser de femtosegundos. Además de esto, hemos empleado diferentes técnicas de microcopia, tales como microscopia óptica convencional, microscopia de fuerza atómica y microscopia óptica interferométrica, para el estudio ex-situ de la topografía del cráter de ablación y su entorno. El objetivo de esta tesis, ha sido por tanto, comprender la dinámica de la respuesta de cada material bajo condiciones de escritura directa con pulsos ultracortos en la superficie y en el seno del material, y optimizar estas condiciones para poder mejorar en última instancia las prestaciones de los dispositivos fabricados. En superficie, la optimización de las condiciones de escritura se ha centrado en conseguir un cráter con paredes suaves y verticales, y de profundidad y diámetro controlable, mientras que en el seno del material en obtener un volumen focal con un perfil y tamaño controlado. Con este fin, se ha analizado la dinámica de formación-relajación de plasma y del proceso de ablación en la superficie de cada material, y su relación con la formación de diferentes topografías del cráter de ablación. Los resultados obtenidos en la superficie del material han servido como punto de partida para el estudio de los procesos en el seno del material, con un grado de complejidad diferente debido en parte a la aparición de efectos de propagación no-lineal dentro del material. Estos estudios en el seno del material se han centrado en analizar la influencia de los diferentes parámetros del pulso láser empleado para la escritura directa de dispositivos, con el fin de optimizar la deposición de energía. Los materiales bajo estudio han sido, por un lado, dieléctricos de elevada banda prohibida (en adelante bandgap) como la sílice vítrea con Eg = 7.2 eV y el zafiro con Eg = 9.9 eV. La elección de estos materiales viene motivada por ser materiales de referencia bien caracterizados y por su diferente estructura, siendo la sílice vítrea un material amorfo y el zafiro un material cristalino. El segundo grupo de materiales son dieléctricos de bandgap medio como el vidrio de fosfato MM2 dopado con 2.2 % Er3+ y 2.5% Yb3+ con Eg = 3.6 eV, y el vidrio de óxido de plomo SF57 con Eg = 3.2 eV. El interés de estos materiales radica en que son comúnmente empleados por diferentes grupos de investigación para la generación de guías de onda activas y pasivas por escritura directa con pulsos ultracortos. Esto se debe a que MM2 es fácilmente dopado con tierras raras y tiene una energía de fonón relativamente baja, lo que le convierte en un material óptimo para su uso en dispositivos de amplificación. Asimismo, es un material empleado en la producción de láseres pulsados. El vidrio SF57 posee un índice de refracción no-lineal relativamente elevado, siendo por tanto un material de referencia para la generación de dispositivos ópticos que aprovechen efectos ópticos no-lineales.