Conformación de haces láser de pulsos ultracortos para la optimización de la escritura de guías de onda en dieléctricos

Como hemos mencionado, la escritura directa de guías de onda y dispositivos fotónicos en materiales dieléctricos no está todavía exenta de exenta de problemas. En particular, el requerimiento de explotar la capacidad de esta técnica para fabricar dispositivos a profundidades crecientes (con el ánimo de generar chips fotónicos densos y compactos) presenta inconvenientes asociados a la presencia de aberraciones y a la propagación no lineal (PNL) que sufre el haz de irradiación. Los efectos de la PNL (como el autoenfoque no lineal [FdlCP+10] o la filamentación [GPS+08]) son, en general, tanto mayores cuanto mayor es la profundidad de procesado (debido a la acumulación de fase no lineal) y cuanto mayor es el índice de refracción no lineal. Además, en función del intervalo de energías prohibido (Eg, bandgap) del material y de las condiciones de procesado, es común la aparición de efectos de agotamiento pre-focal (pre-focal depletion, [RNC05]) como una fuente adicional de deformación del volumen focal, aumentando considerablemente el tamaño de la zona modificada por la irradiación.
Por ello, la fabricación de guías de onda a profundidades elevadas, y/o en materiales altamente no lineales con valores de Eg moderados, en general desemboca en regiones modificadas de gran tamaño. En ocasiones, la zona modificada por la irradiación llega a ser ordenes de magnitud mayor que el propio modo guiado de la guía fabricada. Estos efectos son incompatibles con
la fabricación de dispositivos densos, compactos y de buenas prestaciones.

Partiendo de esta base, los objetivos de esta tesis se centran tres puntos principales:

1. Estudiar y reducir los efectos de la PNL durante la escritura de guías de onda, con el fin de producir guías de onda simétricas y de buenas prestaciones.
2. Estudiar la viabilidad de diferentes estrategias de conformación espacial del haz de irradiación para la escritura directa de guías de onda con láser de fs, con el fin de generar estructuras de perfil transversal simétrico.
3. A partir de los puntos anteriores, se pretende demostrar la viabilidad de escribir guías de onda de buenas prestaciones en vidrios con alto índice de refracción lineal y no lineal.

La consecución de estos objetivos se ha perseguido a través del estudio de diversos materiales. En primer lugar se han estudiado los efectos de los parámetros básicos de irradiación sobre un material bien conocido como es la sílice. Este material presenta índices de refracción (lineal y no lineal) bajos, y un intervalo de energía prohibidas (Eg) elevado, lo que reduce los efectos del agotamiento pre focal. Por estos motivos la sílice se presenta como un material muy adecuado para realizar una puesta apunto del montaje experimental, así como un estudio inicial sobre la influencia de los parámetros básicos para la escritura de guías de onda.
A continuación, el estudio se centra en un grupo de materiales con mayor interés tecnológico, los vidrios de fosfato (dopados con diversas concentraciones de Er3+ e Y b3+). Este material presenta índices de refracción (lineal y no lineal) comparables a los de la sílice, sin embargo su Eg es menor. Este hecho aumenta notoriamente los efectos perjudiciales para la fabricación de guías de onda derivados del agotamiento pre focal. En esta tesis se explota este fenómeno para estudiar, comprender y eliminar los fenómenos derivados de la PNL durante la escritura de guías de onda. En estos materiales también se han estudiado e implementado nuevas técnicas de conformación espacial del haz de irradiación, basadas en elementos ópticos adaptativos, que pretenden abrir la puerta a nuevas formas dinámicas y de mayor flexibilidad para controlar las propiedades de las guías de onda, en particular, su sección
transversal.

De forma alternativa a la conformación espacial del haz de irradiación, se ha analizado también la utilización del procesado en régimen de AFR, tanto para mejorar las prestaciones de las guías producidas a BFR (haciendo uso de los efectos de acumulación térmica, en vidrios de fosfato), como para demostrar la viabilidad de producir guías de onda de buenas prestaciones en materiales altamente no lineales (vidrio de telurito dopado con N d3+).