Guías ópticas fuertemente multimodalesaplicación a sensores ópticos e integración con fuentes ópticas en tecnología de silicio

Abstract

Las guías ópticas fuertemente multimodales poseen unas dimensiones mucho mayores que la longitud de onda, lo que conlleva un elevado número de modos guiados en su núcleo, por encima del millar de modos, haciendo que los métodos habituales de análisis de guías ópticas, como el ajuste de modos o la resolución directa de las ecuaciones de Maxwell, presenten graves problemas en este tipo de guías. Por ello, se suelen emplear modelos de óptica geométrica como la discretización de la propagación en rayos que representan los numerosos modos que se propagan en su interior, simplificando los cálculos de propagación en el interior del núcleo y permitiendo el estudio de guías de ondas de perfiles arbitrarios y que no tienen soluciones analíticas para las ecuaciones de Maxwell en su interior. Esta aproximación geométrica de la luz se ha utilizado para el estudio de tres tipos de guías ópticas fuertemente multimodales buscando su aplicación en sensores ópticos e integración con fuentes ópticas en tecnología de silicio. Estos tres tipos de guías son: fibras ópticas de plástico o POF, guías de núcleo hueco o hollow fabricadas tanto en Silicio como con polímeros y, finalmente, con estos polímeros, guías basadas en reflexión interna total. En el caso de las fibras ópticas de plástico se ha modelado su comportamiento a través de la teoría de rayos para estudiar la inyección y proyección de la luz en y desde su interior, buscando la optimización de un cabezal sensor basado en estas fibras ópticas. Este cabezal sensor se ha aplicado a dos aplicaciones basadas en optodos, una para la detección de plomo y la otra para vapor de agua. En cuanto las guías fuertemente multimodales integradas se ha modelado su comportamiento de estas guías a través de la teoría de rayos utilizando varias técnicas para predecir su comportamiento como guías ópticas o como interferómetros multimodales. Las primeras guías integradas presentadas son las guías hollow fabricadas tanto en silicio como con la fotorresina SU-8. Estas guías, a pesar de presentar mayores pérdidas que otras propuestas tienen una mayor sencillez tecnológica. Por un lado, se ha simplificado el proceso de fabricación de las guías de silicio a un grabado DRIE y un post-procesado por oxidación. Mientras que la fotorresina SU-8, es de por sí un material de bajo coste y el equipamiento básico para su fabricación es de coste reducido y totalmente compatible con los procesos de fabricación estándar CMOS. Estas guías huecas son una alternativa interesante a las tradicionales basadas en la reflexión interna total para aplicaciones de sensado, ya que facilitan la integración conjunta de guías ópticas y canales de microfluídica, algo crucial para su desarrollo y expansión. De hecho, al ser guías de núcleo hueco, se puede usar éste cómo microcanal de fluídica e inyectar en su interior muestras o inmovilizar cromóforos o fluoróforos. Como prueba del potencial como plataforma sensora de las guías hollow se ha desarrollado un sensor integrado de SU-8 para la monitorización del proceso de limpieza de matrices de extrusión de perfiles de aluminio en baños de sosa caústica con niveles de pH en torno a 14 y temperaturas cercanas a los 100°C. En el sensor integrado, se usa el núcleo hueco de una guía hollow tanto para el guiado de la luz como micro-canal de fluídica para el paso de la muestra del baño de sosa. Los resultados obtenidos muestran que es posible la determinación del avance del proceso de limpieza de las matrices midiendo la transmisión en la guía hollow. Además, con la fotorresina SU-8 también se han estudiado guías basadas en reflexión interna total para su posible integración con emisores ópticos en silicio. Para el estudio teórico se ha desarrollado la teoría de dispersión o scattering por imperfecciones en el material o en las interfaces con el cladding. Estas guías presentan menores pérdidas que las huecas, como ya se esperaba, pero por otro lado precisan que el material con el que se fabriquen tenga unas características ópticas buenas para no presentar pérdidas por scattering o por absorción demasiado altas. El último estudio realizado en este trabajo es la posible integración de estas guías fuertemente multimodales con emisores de silicio, cuyo desarrollo ha sido posible recientemente gracias a los nanoclusters de silicio embebidos en matrices de dieléctricos. Dentro de este campo actual de investigación hay dos corrientes claramente diferenciadas: el desarrollo de emisores fotoluminiscentes para la obtención de un láser de silicio viable y el desarrollo de emisores electroluminiscentes para la obtención un dispositivo similar a un LED. Nuestra línea de trabajo se ha centrado en los dispositivos electro-luminiscentes para su futura integración con guías ópticas fuertemente multimodales. Estos dispositivos se han obtenido utilizando dos técnicas de deposición: LPCVD y PECVD, y presentan distintas características opto-electrónicas, tanto en el régimen de emisión (pulsada o continua) como en la longitud de onda de emisión. En los circuitos fotónicos es crucial el acoplo entre los distintos elementos ópticos a fin de reducir las pérdidas en exceso, incrementando así sus prestaciones. Por ello, en este trabajo hemos estudiado el acoplo entre estas fuentes de luz en silicio con guías ópticas depositadas sobre ellas. Para la mejora del acoplo se han propuesto tres estructuras alternativas al habitual acoplo directo, como son el uso de etapas de adaptación o tapers, estructuras multicapa o estructuras de difracción o gratings. Entre estas tres posibilidades la más interesante por sencillez tecnológica y prestaciones es el uso de gratings grabados sobre el contacto superior de los emisores.