Diseño y fabricación de circuitos fotónicos integrados 3D mediante microprocesado con láseres pulsados

Resumen

La irradiación con láser de pulsos de femtosegundos se ha instaurado como una de las técnicas más eficaces y versátiles para la escritura directa en materiales ópticos transparentes. La posibilidad de producir modificaciones locales controladas del índice de refracción del sustrato, unido a la flexibilidad que ofrece este método respecto a la elección del material a procesar (vidrios amorfos, monocristales, cerámicas policristalinas, etc.), hace que la técnica de microprocesado con láser haya adquirido una gran relevancia en numerosos campos de investigación, como por ejemplo, la fotónica integrada donde, gracias a esta técnica, es posible desarrollar dispositivos fotónicos integrados con diseños complejos tridimensionales. El trabajo de investigación de esta tesis se ha centrado en desarrollar una estrategia de fabricación de dispositivos fotónicos tridimensionales complejos que sea aplicable a cualquier material dieléctrico transparente cristalino, algo hasta ahora inexistente. Para ello, hemos escogido, por su versatilidad, un tipo de guía de onda denominado depressed-cladding, con sección circular para un mejor comportamiento modal, y sobre este elemento base se han desarrollado diferentes prototipos, se han fabricado en el laboratorio y se han caracterizado ópticamente. Los prototipos estudiados son piezas clave para la construcción de cualquier circuito fotónico complejo, como son las guías rectas, los divisores o los combinadores, tanto en el plano como en tres dimensiones (con cambios de profundidad en la muestra). Adicionalmente, se han desarrollado otros elementos fotónicos basados en esta estrategia como son las guías de onda con estrechamiento (tapering), de gran interés para el control modal de los dispositivos, o las matrices de guías de onda con acoplamiento evanescente. La prueba de concepto de todos estos elementos se ha realizado en varios dieléctricos cristalinos que son paradigmáticos por sus propiedades ópticas, como son el Nd:YAG (material con excepcional rendimiento como medio activo para láseres) o el LiNbO3 (material con fuerte comportamiento no lineal y electro-óptico), pero podrían implementarse en cualquier otro sin más que encontrar los parámetros óptimos de irradiación láser para su fabricación. Los buenos resultados obtenidos afianzan la técnica de microprocesado con láser de femtosegundos como la herramienta más versátil para la inscripción de dispositivos fotónicos tridimensionales en prácticamente cualquier material transparente, incluidos los medios cristalinos, para los cuales es especialmente difícil.