Tunable organic waveguides and microstructured devices

El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el desarrollo de una nueva linea de investigación en el Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para TIC (CEMDATIC) basada en el diseño, fabricación y caracterización de chip fotónicos integrados (PICs) de sus siglas en inglés. También se ha continuado con lineas de investigación existentes, como los dispositivos fotónicos de fase, desarrollando nuevos dispositivos y tecnologías que, con pequeñas modificaciones, puedan ser empleados en los PICs. Durante la realización de la Tesis, se han modificado dos máquinas aportando sustanciales mejoras y se ha desarrollado un nuevo sistema de litografía por nano-impresión. Asimismo, se ha realizado un montaje óptico con acoplo de luz con precisión nanométrica para la caracterización de los chips, desarrollando además los módulos de control electrónico necesarios. A continuación se enumeran métodos desarrollados para la fabricación: • Sistema de ablación láser. El equipo consta de un láser pulsado a 50 kHz de Nd:YAG triplicado (355 nm) con 300 vnW a la salida, un sistema óptico de colimación, enfoque y un sistema de movimiento en XYZ con precisión de 0.1 ¡iva. Se han desarrollado dos protocolos de fabricación para la creación de electrodos y guíaondas mediante la evaporación de material. El primero es la ablación superior, denominado front scribing. Permite la fabricación independientemente de si el sustrato es transparente al UV o no. El segundo protocolo sólo es aplicable a sustratos transparentes al UV denominado back scribing con mejores prestaciones pero limitado a ciertos materiales; en este caso la ablación se realiza enfocando el láser a través del sustrato. • Sistema de fotolitografía sin máscara o escritura directa por laser LDW desarrollado en el mismo equipo. Permite el curado selectivo de fotorresina para el proceso de fotolitografía. Este método permite ahorrar muchísimo tiempo en procesos fotolitográficos cambiantes. • Sistema de fotolitografía por nano-impresión Se ha fabricado íntegramente en el CEMDATIC. La máquina ha sido diseñada, fabricada y caracterizada en el desarrollo de la Tesis. Esta máquina puede estar fabricada por impresión 3D o en algún metal (dependiendo de los requerimientos). Con este dispositivo se han reproducido patrones de 233 nm con tamaños de 15x15 vnvn2. A continuación se enumeran los dispositivos desarrollados durante la Tesis: • Matrices micro-lentes Son matrices de lentes cuyo tamaño va desde 1 micrometro hasta centenares de micrometros. Las microlentes individuales se utilizan, por ejemplo, para acoplar luz desde fibras a sistemas ópticos, mientras que las matrices de microlentes a menudo se emplean para aumentar la eficiencia de la recolección de luz de las matrices CCD; recolectan y enfocan la luz que de otro modo habría caído sobre las áreas no sensibles del sensor. En algunos proyectores digitales, se emplean también matrices de microlentes para enfocar la luz a las áreas activas de la pantalla LCD, utilizada para generar la imagen que se proyectará. – Matrices de micro-lentes con focal fija. Se han desarrollado matrices de microlentes con focal fija (micro-lentes convencionales) con tamaños macroscópicos y resoluciones nanométricas gracias a la técnica de litografía por nano-impresión. – Matrices de micro-lentes sintonizables. Son micro-lentes en las cuales la focal puede variar desde infinito (no hay lente) a focales de pocos milímetros. Se han llevado a cabo distintas aproximaciones de fabricación mediante técnicas como la fotolitografía convencional y la fotolitografía por front scribing. • Dispositivo sintonizable de cristal líquido para la generación de vórtices ópticos. Un vórtice óptico es una variación continua azimutal de la fase, produciendo una propagación espiral en vez de una propagación plana. Este dispositivo está caracterizado por la carga topológica (cuantos giros (variación de fase de 2ir) efectúa la luz para una longitud de onda). Figura 1: Esquema de dispositivo óptico para generar vórtices ópticos Un vórtice se puede generar mediante una lámina de fase espiral (SPP) donde la fase va aumentando en forma de espiral. Se ha desarrollado un dispositivo de cristal líquido, plano, que funciona de forma similar al SPP pero que además es sintonizable. Para ello se ha desarrollado un controlador capaz de conmutar el cristal líquido de manera que la fase cambie en la forma deseada, pudiendo además variar la carga topológica. • Separador de potencia por interferencia intermodal (MMI), sintonizable mediante onda evanescente con cristal líquido. Se han desarrollado PICs que contienen diversas estructuras. Entre estas se encuentran los MMIs, desarrollados en plataforma híbrida Si02/SU-8/Si02 donde el cristal líquido se posiciona encima de la cubierta superior para modificar el campo evanescente de la onda propagada. • Dispositivo integrado para la conmutaci´on/separaci´on de polarizaciones de la luz acoplada a la guiaonda de entrada. Otro de los dispositivos integrados en PICs, fabricado íntegramente en la plataforma polimérica Epocore/Epoclad, es un dispositivo capaz cambiar el camino óptico de una de las polarizaciones mediante el uso de la birrefringencia del cristal líquido (LC). El dispositivo cuenta con al menos una guiaonda de entrada y dos de salida (aunque se han diseñado dispositivos más complejos). El acoplo de luz de la quiaonda de entrada a las de salida se realiza a través de una lámina plano-paralela de LC. Estos dispositivos son además reversibles. ----------ABSTRACT---------- This PhD work is focused on the development of a new research line at the Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para las TIC (CEMDATIC) based on the design, manufacturing, and characterization of photonic integrated circuits (PICs). Moreover, several previous research lines on phase-only devices have been continued, developing new devices and technologies that could be used in PICs with small adjustments. Two instruments have been modified and significantly improved upon PhD realization. A new nano-imprint lithographic system has been developed, as well as an optical setup for light coupling with nanometer precision for chip characterization; this setup includes the required modules for electronic control. The fabrication methods developed during the PhD Thesis have been: . Ablation laser system. The equipment consists of a tripled Nd:YAG 50 kHz-pulsed laser (355 nm) having a 300 mW output, collimation optical system, focusing and XYZ mechanical stages with a numerical control system with 0.1 _m precision. Two fabrication protocols have been developed for generation of electrodes and waveguides through material evaporation: i) front scribing, i.e. ablation from the upper side, allowing fabrication regardless the substrate is transparent to UV or not, and ii) back scribing, that shows better performance but can only be used in UV transparent substrates; ablation is done focusing the laser through the substrate. . Maskless photolithography through laser direct writing (LDW). This system has been developed on the same laser. It allows selective curing of photoresist for photolithography. This method is particularly suitable for research activities where a high number of different photolithographic designs have to be tested. Replacing mask construction by LDW leads to significant savings of time and money. . Nanoimprint lithographic system. The full system has been design, fabricated and characterized as a part of the PhD work. The device has successfully manufactured 15Ö15 mm2 replicas of 233 nm feature size. The devices developed during the PhD Thesis have been: . Micro-lenses array. Lens matrices whose diameter ranges from 1 to several 100's _m. Single micro-lenses are used, for example, for fiber coupling to optical systems, whereas micro-lenses matrices are often employed to improve light collection in CCD matrices. { Fixed focal distance micro-lenses. Conventional micro-lenses matrices, having fixed focal distance, have been developed with nanometric resolution and macroscopic size using nanoimprint lithography. { Tunable focal distance micro-lenses. In these micro-lenses matrices, focal distance varies from infinity (no lens) to a few mm. Several manufacturing approaches have been tested using conventional photolithography and by laser ablation photolithography. . Tunable liquid crystal device for optical vortex generation. An optical vortex is a continuous azimuthal phase variation, leading to a spiral rather than plane propagation. The device is characterized by its topological charge, i.e., number of full turns per wavelength performed by the helical beam. Vortices can be generated by spiral phase plates (SPP), devices where phase delay increases with azimuthal angle in such a way that a full turn is always a multiple of 2_ phase shift. A liquid crystal at structure has been developed; it is able to mimic a tunable SPP. A controller (also developed in this work) drives the cell, which arranges phases as required, and allows modifying the topological charge. . Power distribution by intermodal interference (MMI), tunable through liquid crystal interaction with evanescent wave. Several PICs containing different structures have been developed. Among these, some MMIs have been created on hybrid platform SiO2/SU-8/SiO2. Liquid crystal is deposited onto the upper lid, allowing its interaction with the evanescent field of the propagating wave. . Integrated device for switching/splitting orthogonal polarizations of the light coupled to the input waveguide. Another device integrated in PICs. It has been made completely in polymers Epocore/Epoclad. The device is able to modify the optical path of one polarization through the liquid crystal birefringence. The device includes, at least, one input and two output waveguides -more complex geometries have been created as well. Light coupling from the input to the output waveguides is done through a planar parallel liquid crystal layer. Moreover, the devices are reversible