Estudio, diseño y caracterización de dispositivos fotónicos integrados fabricados con diferentes plataformas tecnológicas

Abstract

Es indudable que una de las características más distintivas de la sociedad actual es la conectividad con la que coexisten la mayoría de los habitantes del planeta, esto se debe principalmente al desarrollo y la evolución sostenida de las telecomunicaciones presente desde mediados del siglo XX. La cantidad de información que manipulan las redes de comunicaciones actuales no podría ser concebida sin la existencia de las comunicaciones ópticas, gracias a la distribución y manipulación de información utilizando fibras ópticas y dispositivos fotónicos integrados. El éxito de la fotónica integrada se ha extendido a una amplia variedad de áreas del conocimiento, como por ejemplo al desarrollo de sensores, la tecnología aeroespacial, la computación cuántica, aplicaciones biotecnológicas, entre otras. Todo esto hace que la fotónica integrada sea un tema estratégico en materia de investigación y desarrollo. En esencia, un dispositivo fotónico integrado es un chip que permite manipular luz a nivel micrométrico o sub-micrométrico integrando diversos elementos fotónicos en un solo sustrato. Para el desarrollo de estos componentes es necesario comprender los fenómenos físicos detrás de la propagación electromagnética, utilizar las herramientas numéricas de diseño y modelado y profundizar en las metodologías de fabricación. Si bien existen diferentes técnicas para llevar a cabo estos dispositivos, en esta tesis se aborda el estudio, diseño y caracterización de múltiples dispositivos fotónicos integrados utilizando dos técnicas de fabricación: la escritura directa con láser de femtosegundos y la tecnología del silicio. Respecto a la escritura directa se han utilizado diferentes técnicas. Primero realizamos un estudio, diseño y caracterización de un divisor de potencia, basado en guías de onda tipo II y fabricado por escritura directa. Desde un análisis de las variables del proceso de escritura establecemos los criterios de diseño. Luego proponemos un tipo de dispositivo basado en la teoría de acoplamiento coherente el cual optimizamos mediante simulaciones numéricas. El dispositivo fotónico es implementado en un sustrato de LiNbO3 corte X. Verificamos que el divisor de potencia es compacto y presenta bajas pérdidas. Adicionalmente, describimos la fabricación de guías de ondas tipo IV mediante escritura directa sobre películas delgadas de Titanato Zirconato de Plomo (PLZT). Se estudian las características del fenómeno físico de la ablación con pulsos láser de femtosegundos y los umbrales de escritura para diferentes condiciones cinemáticas de mecanizado. A partir de este estudio, establecemos un criterio para determinar los parámetros de procesamiento más convenientes para la confección de estructuras fotónicas de guiado. Se propone y verifica un modelo fenomenológico que describe la rugosidad de las paredes laterales de las guías de onda en función de los parámetros de proceso. Finalmente, se caracteriza la morfología y rugosidad de los dispositivos fabricados utilizando una y múltiples escrituras sucesivas. Por otra parte, con la tecnología del silicio se demuestra la implementación de diversos componentes y circuitos fotónicos integrados. En particular, desarrollamos un divisor de potencia 1x2 con la tecnología de silicio. El mismo se implementa en silicio sobre aislante (SOI). Proponemos un diseño basado en la teoría del acoplamiento coherente que demuestra ser compacto y presenta bajas pérdidas de inserción. Se optimizan las dimensiones y se estudia la sensibilidad de los parámetros mediante simulaciones numéricas. Posteriormente, se fabrican los dispositivos a traves del servicio multiployecto de la Faundry CORNESTONE del Reino Unido. Este enfoque nos permite ahondar en los procedimientos y procesos industriales usados en la producción masiva de chips basados en esta tecnología. Finalmente, se caracteriza el rendimiento del divisor de potencia propuesto y se lo compara con componentes estándar utilizados comúnmente en la industria de la fotónica integrada. Finalmente, se aborda el diseño de un sensor fotónico inspirado en la tecnología de silicio, en especial nos enfocamos en la plataforma de oxinitruro de silicio (SiON). Comenzamos exponiendo los principios fundamentales detrás de la medición con estructuras de guiado y luego abordamos el diseño de redes de Bragg. Se muestra el comportamiento espectral y se determinan los parámetros de sensado intrínsecos de cada estructura. A partir de este estudio proponemos una topología de detección basada en un análisis de potencia diferencial utilizando una matriz de sensores fotónicos. La estructura del circuito fotónico está compuesta por un divisor de potencia 1x4, tres redes de Bragg y una rama de referencia. En todas las instancias se verifican los resultados con simulaciones numéricas.