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UNIVERSIDADAD AUTOacuteNOMA DE SAN LUIS POTOSIacute
FACULTAD DE CIENCIAS
INSTITUTO DE INVESTIGACIOacuteN EN COMUNICACIOacuteN OacutePTICA
IMPLEMENTACIOacuteN Y OPTIMIZACIOacuteN DE TEacuteCNICAS
PARA LA FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA CANAL
TESIS PROFESIONAL PARA OBTENER EL GRADO
DE MAESTRIacuteA EN CIENCIAS APLICADAS
PRESENTA
LF CLAUDIA VEROacuteNICA SILVA JUAacuteREZ
ASESOR
DRA AMPARO RODRIGUEZ COBOS
SAN LUIS POTOSIacute SLP 14 de febrero de 2018
DEDICATORIA
ldquoHas vivido has sentido has llorado
has reiacutedo te has caiacutedo y te has
vuelto a levantar
Asiacute es la vida se trata de no
quedarse abajo sino tomar nuevas
fuerzas y levantarse de intentar
nuevas cosas de no darse por
vencidordquo
Anoacutenimo
Este trabajo de tesis se la dedico a
mi a mis papaacutes Claudia y Ricardo
mis hermanos Vanne y Ricky y a mi
hijo Derek quien fue la principal
razoacuten por la que decidiacute emprender
este reto con mucho carintildeo para
ustedes que siempre me apoyaron
en todo este trayecto para que
pudiera culminar con eacutexito muchas
gracias por todo los amo
Claudia Veroacutenica Silva Juaacuterez
AGRADECIMIENTOS
Mucha gente me apoyoacute para poder alcanzar eacutesta meta si no hubiera sido por
ustedes no lo habriacutea logrado por ello voy a estar eternamente agradecida
A Dios por ponerme en mi camino a personas bondadosas que me ayudan a
llevar a cabo mis metas por darme una familia que me apoya en todo lo que me
propongo por la salud y por guiarme en mi vida abrieacutendome las puertas hacia
cosas buenas
A ti mi querido hijo que a pesar de todos los momentos difiacuteciles que se nos
presentaron tu siempre estabas con esa sonrisa hacieacutendome saber que todo
iba a estar bien siempre que llegaba a casa me recibiacuteas con un fuerte abrazo
daacutendome la fuerza necesaria para poder seguir salir adelante y poderte dar una
vida de calidad cada cosa nueva que me ensentildeabas cada pequentildeo logro me
haciacutea sentir que no estaba haciendo las cosas mal por todo eso y por estar en
mi vida te doy las gracias te amo mi pequentildeo Derek
A mi papaacute Ricardo que a pesar de que ya no soy una nintildea eacutel todaviacutea me cuida y
ve por miacute por sus consejos por ser el magniacutefico abuelo que es para mi nintildeo
por nunca soltar mi mano y apoyarme en todas las decisiones que tomo
simplemente te agradezco por estar con nosotros
A mi mamaacute Claudia mi mejor amiga mi consejera que tampoco me ha dejado
sola por ser miacute ejemplo a seguir y saber que siempre puedo contar con ella
por compartir mis tristezas y alegriacuteas por todos los sacrificios que hiciste para
que yo logre concluir mis metas gracias por todo el apoyo que me has
brindado
A mis hermanos Ricardo y Vanne por alegrarme mis diacuteas que a pesar de todas
las peleas que tenemos siempre estaacuten conmigo en las buenas y en las malas
por ser esos tiacuteos magniacuteficos que son por hacerme sentir que a pesar de todo
siempre voy a poder contar con ustedes los quiero mucho
A mi asesora por darme la oportunidad de trabajar con ella por creer en miacute y
apoyarme en todo momento por ser esa maestra de vida la que impulsa a sus
alumnos a salir adelante a pesar de todas las circunstancias por la confianza
que me brindoacute durante mi estancia como estudiante de maestriacutea
Agradezco a los Doctores Gilberto Alvarado Leyva Francisco De Anda Salazar
y Victor Hugo Compeaacuten Jasso por aceptar formar parte de mi jurado y por los
pertinentes comentarios sugerencias y correcciones a este trabajo de tesis
En particular agradezco al Dr Gilberto Alvarado Leyva por el apoyo y los
consejos que me brindoacute durante mi paso por la Facultad de Ciencias de la
UASLP
Al Dr Francisco De Anda Salazar y al Dr Victor Hugo Compeaacuten Jasso les
agradezco por facilitarme el kit de la fotoresina negativa para poder llevar a
cabo algunos de los experimentos necesarios para este trabajo de tesis
Al Dr Compeaacuten por el apoyo y las asesoriacuteas brindadas cuando fue necesario
A mis amigos del IICO por apoyarme y asesorarme en mi estancia en el
instituto por alegrarme cuando habiacutea problemas por acompantildearme en todo mi
proceso gracias por no dejarme sola cuando maacutes los necesitaba
A CONACYT por el apoyo econoacutemico durante mi estancia como estudiante de
maestriacutea
RESUMEN
En este trabajo se reporta la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal viacutetreas con un
ancho de 17120583119898 fabricadas mediante el intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en
substratos de vidrio soda lime La fabricacioacuten de estos dispositivos se llevoacute a
cabo en un cuarto limpio en la que se hace uso del equipo necesario para
aplicar la teacutecnica de fotolitografiacutea utilizando por primera vez una fotoresina
negativa
Se implementaron algunas de las teacutecnicas utilizadas en la fabricacioacuten de
dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la fabricacioacuten de guiacuteas
de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en
acoplar luz a la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de
observar la distribucioacuten de los patrones de intensidades
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas que de acuerdo con la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente
Reportamos la optimizacioacuten de todos los paraacutemetros involucrados en las
diferentes etapas de fabricacioacuten
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 2: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/2.jpg)
DEDICATORIA
ldquoHas vivido has sentido has llorado
has reiacutedo te has caiacutedo y te has
vuelto a levantar
Asiacute es la vida se trata de no
quedarse abajo sino tomar nuevas
fuerzas y levantarse de intentar
nuevas cosas de no darse por
vencidordquo
Anoacutenimo
Este trabajo de tesis se la dedico a
mi a mis papaacutes Claudia y Ricardo
mis hermanos Vanne y Ricky y a mi
hijo Derek quien fue la principal
razoacuten por la que decidiacute emprender
este reto con mucho carintildeo para
ustedes que siempre me apoyaron
en todo este trayecto para que
pudiera culminar con eacutexito muchas
gracias por todo los amo
Claudia Veroacutenica Silva Juaacuterez
AGRADECIMIENTOS
Mucha gente me apoyoacute para poder alcanzar eacutesta meta si no hubiera sido por
ustedes no lo habriacutea logrado por ello voy a estar eternamente agradecida
A Dios por ponerme en mi camino a personas bondadosas que me ayudan a
llevar a cabo mis metas por darme una familia que me apoya en todo lo que me
propongo por la salud y por guiarme en mi vida abrieacutendome las puertas hacia
cosas buenas
A ti mi querido hijo que a pesar de todos los momentos difiacuteciles que se nos
presentaron tu siempre estabas con esa sonrisa hacieacutendome saber que todo
iba a estar bien siempre que llegaba a casa me recibiacuteas con un fuerte abrazo
daacutendome la fuerza necesaria para poder seguir salir adelante y poderte dar una
vida de calidad cada cosa nueva que me ensentildeabas cada pequentildeo logro me
haciacutea sentir que no estaba haciendo las cosas mal por todo eso y por estar en
mi vida te doy las gracias te amo mi pequentildeo Derek
A mi papaacute Ricardo que a pesar de que ya no soy una nintildea eacutel todaviacutea me cuida y
ve por miacute por sus consejos por ser el magniacutefico abuelo que es para mi nintildeo
por nunca soltar mi mano y apoyarme en todas las decisiones que tomo
simplemente te agradezco por estar con nosotros
A mi mamaacute Claudia mi mejor amiga mi consejera que tampoco me ha dejado
sola por ser miacute ejemplo a seguir y saber que siempre puedo contar con ella
por compartir mis tristezas y alegriacuteas por todos los sacrificios que hiciste para
que yo logre concluir mis metas gracias por todo el apoyo que me has
brindado
A mis hermanos Ricardo y Vanne por alegrarme mis diacuteas que a pesar de todas
las peleas que tenemos siempre estaacuten conmigo en las buenas y en las malas
por ser esos tiacuteos magniacuteficos que son por hacerme sentir que a pesar de todo
siempre voy a poder contar con ustedes los quiero mucho
A mi asesora por darme la oportunidad de trabajar con ella por creer en miacute y
apoyarme en todo momento por ser esa maestra de vida la que impulsa a sus
alumnos a salir adelante a pesar de todas las circunstancias por la confianza
que me brindoacute durante mi estancia como estudiante de maestriacutea
Agradezco a los Doctores Gilberto Alvarado Leyva Francisco De Anda Salazar
y Victor Hugo Compeaacuten Jasso por aceptar formar parte de mi jurado y por los
pertinentes comentarios sugerencias y correcciones a este trabajo de tesis
En particular agradezco al Dr Gilberto Alvarado Leyva por el apoyo y los
consejos que me brindoacute durante mi paso por la Facultad de Ciencias de la
UASLP
Al Dr Francisco De Anda Salazar y al Dr Victor Hugo Compeaacuten Jasso les
agradezco por facilitarme el kit de la fotoresina negativa para poder llevar a
cabo algunos de los experimentos necesarios para este trabajo de tesis
Al Dr Compeaacuten por el apoyo y las asesoriacuteas brindadas cuando fue necesario
A mis amigos del IICO por apoyarme y asesorarme en mi estancia en el
instituto por alegrarme cuando habiacutea problemas por acompantildearme en todo mi
proceso gracias por no dejarme sola cuando maacutes los necesitaba
A CONACYT por el apoyo econoacutemico durante mi estancia como estudiante de
maestriacutea
RESUMEN
En este trabajo se reporta la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal viacutetreas con un
ancho de 17120583119898 fabricadas mediante el intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en
substratos de vidrio soda lime La fabricacioacuten de estos dispositivos se llevoacute a
cabo en un cuarto limpio en la que se hace uso del equipo necesario para
aplicar la teacutecnica de fotolitografiacutea utilizando por primera vez una fotoresina
negativa
Se implementaron algunas de las teacutecnicas utilizadas en la fabricacioacuten de
dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la fabricacioacuten de guiacuteas
de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en
acoplar luz a la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de
observar la distribucioacuten de los patrones de intensidades
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas que de acuerdo con la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente
Reportamos la optimizacioacuten de todos los paraacutemetros involucrados en las
diferentes etapas de fabricacioacuten
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 3: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/3.jpg)
AGRADECIMIENTOS
Mucha gente me apoyoacute para poder alcanzar eacutesta meta si no hubiera sido por
ustedes no lo habriacutea logrado por ello voy a estar eternamente agradecida
A Dios por ponerme en mi camino a personas bondadosas que me ayudan a
llevar a cabo mis metas por darme una familia que me apoya en todo lo que me
propongo por la salud y por guiarme en mi vida abrieacutendome las puertas hacia
cosas buenas
A ti mi querido hijo que a pesar de todos los momentos difiacuteciles que se nos
presentaron tu siempre estabas con esa sonrisa hacieacutendome saber que todo
iba a estar bien siempre que llegaba a casa me recibiacuteas con un fuerte abrazo
daacutendome la fuerza necesaria para poder seguir salir adelante y poderte dar una
vida de calidad cada cosa nueva que me ensentildeabas cada pequentildeo logro me
haciacutea sentir que no estaba haciendo las cosas mal por todo eso y por estar en
mi vida te doy las gracias te amo mi pequentildeo Derek
A mi papaacute Ricardo que a pesar de que ya no soy una nintildea eacutel todaviacutea me cuida y
ve por miacute por sus consejos por ser el magniacutefico abuelo que es para mi nintildeo
por nunca soltar mi mano y apoyarme en todas las decisiones que tomo
simplemente te agradezco por estar con nosotros
A mi mamaacute Claudia mi mejor amiga mi consejera que tampoco me ha dejado
sola por ser miacute ejemplo a seguir y saber que siempre puedo contar con ella
por compartir mis tristezas y alegriacuteas por todos los sacrificios que hiciste para
que yo logre concluir mis metas gracias por todo el apoyo que me has
brindado
A mis hermanos Ricardo y Vanne por alegrarme mis diacuteas que a pesar de todas
las peleas que tenemos siempre estaacuten conmigo en las buenas y en las malas
por ser esos tiacuteos magniacuteficos que son por hacerme sentir que a pesar de todo
siempre voy a poder contar con ustedes los quiero mucho
A mi asesora por darme la oportunidad de trabajar con ella por creer en miacute y
apoyarme en todo momento por ser esa maestra de vida la que impulsa a sus
alumnos a salir adelante a pesar de todas las circunstancias por la confianza
que me brindoacute durante mi estancia como estudiante de maestriacutea
Agradezco a los Doctores Gilberto Alvarado Leyva Francisco De Anda Salazar
y Victor Hugo Compeaacuten Jasso por aceptar formar parte de mi jurado y por los
pertinentes comentarios sugerencias y correcciones a este trabajo de tesis
En particular agradezco al Dr Gilberto Alvarado Leyva por el apoyo y los
consejos que me brindoacute durante mi paso por la Facultad de Ciencias de la
UASLP
Al Dr Francisco De Anda Salazar y al Dr Victor Hugo Compeaacuten Jasso les
agradezco por facilitarme el kit de la fotoresina negativa para poder llevar a
cabo algunos de los experimentos necesarios para este trabajo de tesis
Al Dr Compeaacuten por el apoyo y las asesoriacuteas brindadas cuando fue necesario
A mis amigos del IICO por apoyarme y asesorarme en mi estancia en el
instituto por alegrarme cuando habiacutea problemas por acompantildearme en todo mi
proceso gracias por no dejarme sola cuando maacutes los necesitaba
A CONACYT por el apoyo econoacutemico durante mi estancia como estudiante de
maestriacutea
RESUMEN
En este trabajo se reporta la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal viacutetreas con un
ancho de 17120583119898 fabricadas mediante el intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en
substratos de vidrio soda lime La fabricacioacuten de estos dispositivos se llevoacute a
cabo en un cuarto limpio en la que se hace uso del equipo necesario para
aplicar la teacutecnica de fotolitografiacutea utilizando por primera vez una fotoresina
negativa
Se implementaron algunas de las teacutecnicas utilizadas en la fabricacioacuten de
dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la fabricacioacuten de guiacuteas
de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en
acoplar luz a la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de
observar la distribucioacuten de los patrones de intensidades
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas que de acuerdo con la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente
Reportamos la optimizacioacuten de todos los paraacutemetros involucrados en las
diferentes etapas de fabricacioacuten
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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![Page 4: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/4.jpg)
A mis hermanos Ricardo y Vanne por alegrarme mis diacuteas que a pesar de todas
las peleas que tenemos siempre estaacuten conmigo en las buenas y en las malas
por ser esos tiacuteos magniacuteficos que son por hacerme sentir que a pesar de todo
siempre voy a poder contar con ustedes los quiero mucho
A mi asesora por darme la oportunidad de trabajar con ella por creer en miacute y
apoyarme en todo momento por ser esa maestra de vida la que impulsa a sus
alumnos a salir adelante a pesar de todas las circunstancias por la confianza
que me brindoacute durante mi estancia como estudiante de maestriacutea
Agradezco a los Doctores Gilberto Alvarado Leyva Francisco De Anda Salazar
y Victor Hugo Compeaacuten Jasso por aceptar formar parte de mi jurado y por los
pertinentes comentarios sugerencias y correcciones a este trabajo de tesis
En particular agradezco al Dr Gilberto Alvarado Leyva por el apoyo y los
consejos que me brindoacute durante mi paso por la Facultad de Ciencias de la
UASLP
Al Dr Francisco De Anda Salazar y al Dr Victor Hugo Compeaacuten Jasso les
agradezco por facilitarme el kit de la fotoresina negativa para poder llevar a
cabo algunos de los experimentos necesarios para este trabajo de tesis
Al Dr Compeaacuten por el apoyo y las asesoriacuteas brindadas cuando fue necesario
A mis amigos del IICO por apoyarme y asesorarme en mi estancia en el
instituto por alegrarme cuando habiacutea problemas por acompantildearme en todo mi
proceso gracias por no dejarme sola cuando maacutes los necesitaba
A CONACYT por el apoyo econoacutemico durante mi estancia como estudiante de
maestriacutea
RESUMEN
En este trabajo se reporta la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal viacutetreas con un
ancho de 17120583119898 fabricadas mediante el intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en
substratos de vidrio soda lime La fabricacioacuten de estos dispositivos se llevoacute a
cabo en un cuarto limpio en la que se hace uso del equipo necesario para
aplicar la teacutecnica de fotolitografiacutea utilizando por primera vez una fotoresina
negativa
Se implementaron algunas de las teacutecnicas utilizadas en la fabricacioacuten de
dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la fabricacioacuten de guiacuteas
de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en
acoplar luz a la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de
observar la distribucioacuten de los patrones de intensidades
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas que de acuerdo con la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente
Reportamos la optimizacioacuten de todos los paraacutemetros involucrados en las
diferentes etapas de fabricacioacuten
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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RESUMEN
En este trabajo se reporta la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal viacutetreas con un
ancho de 17120583119898 fabricadas mediante el intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en
substratos de vidrio soda lime La fabricacioacuten de estos dispositivos se llevoacute a
cabo en un cuarto limpio en la que se hace uso del equipo necesario para
aplicar la teacutecnica de fotolitografiacutea utilizando por primera vez una fotoresina
negativa
Se implementaron algunas de las teacutecnicas utilizadas en la fabricacioacuten de
dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la fabricacioacuten de guiacuteas
de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en
acoplar luz a la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de
observar la distribucioacuten de los patrones de intensidades
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas que de acuerdo con la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente
Reportamos la optimizacioacuten de todos los paraacutemetros involucrados en las
diferentes etapas de fabricacioacuten
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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![Page 6: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/6.jpg)
IacuteNDICE
1 Introduccioacuten 1
2 Aspecto teoacuterico 6
21 Guiacuteas de onda oacutepticas 6
22 Guiacuteas de onda plana 7
23 Modos en las guiacuteas de onda 9
24 Teoriacutea electromagneacutetica de las guiacuteas de onda 10
241 Ecuaciones de Maxwell 10
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio 11
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas 15
25 Meacutetodo del iacutendice efectivo 16
26 Intercambio ioacutenico 19
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico 22
3 Aspecto Experimental 24
31 Introduccioacuten 24
32 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico 25
321 Clivado y limpieza del substrato 25
322 Depoacutesito del material de barrera 28
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible 30
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible 33
325 Ataque del material de barrera 35
326 Intercambio ioacutenico 35
327 Pulido de las guiacuteas de onda 37
33 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda 39
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible 39
34 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 41
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift ndash off 41
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible) 43
4 Resultados y anaacutelisis 44
41 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda viacutetreas 44
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 7: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/7.jpg)
411 Deposicioacuten del material de barrera 44
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles 46
413 Abertura de los canales en el material de barrera 48
42 Caracterizacioacuten de las guiacuteas de onda fabricadas 49
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie 49
422 Caracterizacioacuten de campo cercano 50
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo 52
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada 55
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal 58
44 Fabricacioacuten de las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas 60
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva 61
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de Al 63
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 65
spin on glass
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de 66
fotoresina negativa
5 Conclusiones y perspectivas 67
6 Referencias 69
1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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1
CAPIacuteTULO 1
1 INTRODUCCIOacuteN
En 1969 SE Miller propuso el concepto de ldquooacuteptica integradardquo el cual consiste
en la integracioacuten de dispositivos oacutepticos y electroacutenicos en un mismo substrato
Una guiacutea de onda forma la base para los dispositivos de oacuteptica integrada se
han empleado diferentes teacutecnicas para conseguir guiacuteas de ondas en diversos
materiales Los dispositivos desarrollados pueden ser divididos en cuatro
grupos pasivos electro-oacutepticos opto-electroacutenicos y oacutepticos no lineales [1]
Los dispositivos de oacuteptica integrada pasivos principalmente dividen sentildeales en
dos o maacutes partes para guiarlas en la direccioacuten deseada Los dispositivos
electro-oacutepticos son fabricados en materiales dieleacutectricos con grandes
coeficientes electro-oacutepticos Para modificar el iacutendice de refraccioacuten de una guiacutea
de onda se usa un campo eleacutectrico Los dispositivos oacutepticos integrados opto-
electroacutenicos son fabricados de materiales semiconductores y ofrecen la mayor
versatilidad de cualquier componente oacuteptico integrado Son muy utilizados
debido a la poca peacuterdida que generan tambieacuten se realizan distintos dispositivos
en guiacuteas de onda tales como acopladores direccionales filtros circuladores
entre otros (figura 11)
Hoy en diacutea son demasiado vistas las guiacuteas de onda dieleacutectricas trabajando a
frecuencias de la luz visible e infrarrojas debido a que son uacutetiles para
transportar informacioacuten de banda ancha sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefoacutenicas y en general las redes de
datos
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 9: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/9.jpg)
2
Diversos estudios de oacuteptica integrada [4 5 6] se centran en el desarrollo de
nuevos dispositivos basados en guiacuteas oacutepticas capaces de sustituir a los
actuales elementos activos de los circuitos eleacutectricos semiconductores
(transistores capacitares etc) en la mejora de los elementos pasivos
(divisores multiplexores filtros etc)
La oacuteptica integrada estaacute basada en el hecho de que es posible producir por
diferentes meacutetodos regiones de mayor iacutendice de refraccioacuten en la superficie de
un substrato plano y que estas regiones de iacutendice ligeramente mayor al
substrato plano actuacutean como guiacuteas de onda para la luz [7]
El vidrio ha sido el material maacutes popular para la fabricacioacuten de componentes
pasivos es un buen substrato por su costo relativamente bajo por su excelente
transparencia por su alto umbral de dantildeo oacuteptico y por la disponibilidad en
tamantildeos sustancialmente grandes Ademaacutes los substratos de vidrios son
amorfos y es maacutes faacutecil producir polarizacioacuten insensible en componentes de
vidrio El iacutendice de refraccioacuten de los vidrios usados en la oacuteptica integrada es
cercano a la fibra oacuteptica por lo que las peacuterdidas de acoplamiento entre las guiacuteas
de onda fabricadas en vidrio y las fibras oacutepticas son maacutes pequentildeas [8]
a) b)
Figura 11 Ejemplos de algunas de las aplicaciones con guiacuteas de onda a) acopladores de
guiacuteas[2] y b) Filtro de guiacutea de onda [3]
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 10: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/10.jpg)
3
Se han empleado diferentes meacutetodos para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda los
cuales se pueden dividir como sigue
1 Pulverizacioacuten catoacutedica
2 Deposicioacuten de vapor quiacutemico
3 Capa de solucioacuten de gel
4 Implantacioacuten de iones
5 Intercambio ioacutenico [7]
6 Deposicioacuten por spin-coating
El proceso por intercambio ioacutenico ha sido el meacutetodo maacutes popular para la
fabricacioacuten de componentes en la oacuteptica integrada en vidrio debido a que es
una teacutecnica simple y de bajo costo la cual consiste en reemplazar un ion de
vidrio por otro de mayor tamantildeo o polarizabilidad electroacutenica maacutes importante
como 119860119892+ 119870+ 119862119904+ o 119879119897+ Consecuentemente el iacutendice de refraccioacuten
incrementa localmente dando origen a la guiacutea de onda [8]
Las guiacuteas de onda fabricadas por intercambios ioacutenicos poseen dos
caracteriacutesticas que las vuelven apropiadas para su aplicacioacuten en tecnologiacuteas
hiacutebridas Primero las guiacuteas de onda fabricadas se encuentran sobre la
superficie del substrato permitiendo que los modos guiados puedan interactuar
faacutecilmente con una sobre capa Segundo los substratos de vidrio no son
atacados quiacutemicamente durante la fabricacioacuten de la guiacutea estos permanecen
planos lo cual beneficia a la mayoriacutea de los tipos de hibridacioacuten [8]
Anteriormente en el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se han
fabricado guiacuteas de onda canal mediante diferentes teacutecnicas logrando anchos de
canal de aproximadamente de 30120583119898 [9]
El trabajo de esta tesis consistioacute en la fabricacioacuten y caracterizacioacuten de guiacuteas de
onda canal viacutetreas mediante la teacutecnica del intercambio ioacutenico Teniendo como
objetivos principales optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros
4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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4
involucrados y buscar lograr la fabricacioacuten de una guiacutea de ancho de canal
menor al de las guiacuteas de onda ya fabricadas anteriormente Esto con el fin de
que las guiacuteas trabajen en su reacutegimen monomodo para longitudes de onda del
visible (rojo) o del cercano infrarrojo (longitudes de onda de las
telecomunicaciones)
Tambieacuten se trabajoacute en la implementacioacuten de algunas de las teacutecnicas utilizadas
en la fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas) y su caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de ambos tipos de guiacuteas implicoacute la implementacioacuten de un
banco oacuteptico de caracterizacioacuten de campo cercano
Este trabajo de tesis se divide en cinco capiacutetulos que estaacuten distribuidos de la
siguiente manera
1 Introduccioacuten se plantea el contexto del desarrollo de este trabajo
2 Fundamentos teoacutericos se expone la teoriacutea electromagneacutetica de las
guiacuteas de onda Explicamos el meacutetodo del iacutendice efectivo que nos
permite estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados y se revisan
los fundamentos del proceso del intercambio ioacutenico entre los iones del
vidrio y los de una sal fundida
3 Aspecto experimental en este capiacutetulo se explican los diferentes
procedimientos involucrados en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal por
intercambio ioacutenico Se exponen a detalle las diferentes teacutecnicas
implementadas para la fabricacioacuten y caracterizacioacuten tanto para las guiacuteas
de onda viacutetreas como para las guiacuteas orgaacutenicas
4 Resultados experimentales y anaacutelisis Exponemos los resultados
obtenidos en cuanto a las guiacuteas de onda fabricadas caracteriacutesticas su
caracterizacioacuten oacuteptica y caacutelculo de los iacutendices efectivos Revisamos los
5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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5
resultados de la optimizacioacuten de los diferentes procesos y paraacutemetros
involucrados y se analiza la pertinencia de las teacutecnicas de fabricacioacuten
utilizadas
5 Conclusiones y perspectivas Se enlistan nuestras conclusiones
respecto a los meacutetodos de fabricacioacuten utilizados y a las caracteriacutesticas de
las guiacuteas de onda fabricadas En cada uno de los puntos mencionamos
de acuerdo a nuestra experiencia una recomendacioacuten a manera de
perspectiva para la continuacioacuten de este trabajo
6 Referencias Bibliograacuteficas
6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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6
CAPITULO 2
ASPECTO TEOacuteRICO
21 GUIacuteAS DE ONDA OacutePTICAS
Una nueva tecnologiacutea que ha surgido es la transmisioacuten de la luz en diversos
materiales que es la base del mejor sistema oacuteptico la cual se realiza mediante
conductos dieleacutectricos llamados guiacuteas de onda oacutepticas esta guiacuteas consisten en
una luz conducida por un medio dieleacutectrico que estaacute rodeado por otro material
dieleacutectrico que posee un iacutendice de refraccioacuten diferente [10] algunos tipos de guiacutea
son de bloque o plana canal y ciliacutendrica como se muestran en la figura 21
La oacuteptica integrada es la tecnologiacutea que se encarga de combinar un substrato
simple con varios dispositivos oacutepticos y componentes para la generacioacuten de
enfoque insolacioacuten combinatoria polarizacioacuten acoplamiento traspuesta
modulacioacuten y deteccioacuten de la luz Tiene como objetivo la miniaturizacioacuten de la
oacuteptica de la misma manera que los circuitos integrados han servido para
miniaturizar la electroacutenica
a) Slab (bloque)
119899119891
119899119904
119899119888
Canal
Figura 21 Tipos de guiacuteas de onda [10]
b) Strip (canal) c) Cylinder (ciliacutendrica)
7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
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120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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7
22 GUIacuteAS DE ONDA PLANA
Un adecuado tratamiento matemaacutetico para comprender la propagacioacuten de la luz
en las guiacuteas de onda planas es la creacioacuten de un problema de valores propios
de las ecuaciones de Maxwell y resolverlos en orden de obtener los modos
normales (estados propios) que corresponden a la direccioacuten de la propagacioacuten
de la luz en la guiacutea asiacute como sus distribuciones de campo (funciones propias)
Sin embargo es posible analizar la propagacioacuten de la luz en la guiacutea de onda
desde otros puntos de vista uno de ellos es el uso de oacuteptica geomeacutetrica que
considera un rayo de luz que se refleja hacia atraacutes y hacia adelante entre dos
interfaces siguiendo un camino en zig ndashzag en la guiacutea de onda y utilizando la ley
de Snell y de Fresnel para la reflexioacuten y la transmisioacuten del mismo en una
interfaz entre dos medios con iacutendice de refraccioacuten diferente [12] Aunque en la
mayoriacutea de las aplicaciones de las guiacuteas de onda es necesario utilizar canales
las guiacuteas de onda planas son uacutetiles porque con ellas es posible obtener
informacioacuten acerca del comportamiento general de la guiacutea y del proceso de
fabricacioacuten esto se logra debido a que la luz se acopla relativamente faacutecil a la
guiacutea
La guiacutea de onda plana es la forma maacutes simple y consiste en la combinacioacuten de
tres elementos (nuacutecleo substrato y cubierta) con diferentes iacutendices de
refraccioacuten (usualmente guiacutea de onda 1198990 substrato 1198991 y aire 1198992) como se
representa en la figura 22 para que la luz pueda ser guiada en el nuacutecleo el
iacutendice de refraccioacuten debe ser ligeramente mayor que los iacutendices del substrato y
la cubierta Como consecuencia de la diferencia de iacutendices de refraccioacuten la luz
es confinada en la direccioacuten X y se propaga libremente en las direcciones Y y Z
[7]
8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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8
El espesor del nuacutecleo depende de la longitud de onda que queramos guiar de
las diferencias de iacutendice de refraccioacuten de las capas que forman la guiacutea de onda
y del nuacutemero de modos en que se desea propagar la luz Se puede considerar
que la guiacutea tendraacute un buen confinamiento de la luz cuando su espesor es
aproximadamente el doble de la longitud de onda con la que se trabaje Cuando
el iacutendice de refraccioacuten del substrato (1198991) es igual al iacutendice de refraccioacuten de la
cubierta o el aire (1198992) como se observa en la figura 23 se dice que es una guiacutea
de onda simeacutetrica (1198991 = 1198992) si por el contrario los iacutendices de refraccioacuten variacutean
entre siacute se dice que es una guiacutea de onda asimeacutetrica (1198990 gt 1198991 gt 1198992) Las guias
de onda planas se pueden clasificar seguacuten la variacioacuten del iacutendice de refraccioacuten
como funcioacuten de la profundidad con respecto a la superficie para obtener guiacuteas
de onda con perfil de iacutendice en forma de escaloacuten donde el cambio en el iacutendice
de refraccioacuten es bastante considerable de iacutendice gradiente en donde el cambio
de iacutendice de refraccioacuten es gradual y de barrera oacuteptica en donde el cambio de
iacutendice de refraccioacuten puede ser considerable o gradual
x y
z Aire 1198992
Guiacutea de onda 1198990
Sustrato 1198991
d
Figura 22 Guiacuteas de onda plana de tres capas paralelas con distinto iacutendice de refraccioacuten [12]
9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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9
23 MODOS EN LAS GUIacuteAS DE ONDA
En las ondas electromagneacuteticas transversales (TEM) las variaciones de
amplitud y fase son muy lentas en la direccioacuten transversal sin embargo en
aplicaciones que implican fibras y guiacuteas oacutepticas monomodo la suposicioacuten de
una variacioacuten lenta en esta direccioacuten ya no es vaacutelida Por lo tanto para el
anaacutelisis electromagneacutetico de tales estructuras se deben utilizar las ecuaciones
de Maxwell
En las guiacuteas de ondas dieleacutectricas los modos oacutepticos discretos tienen un
campo evanescente fuera de la regioacuten del nuacutecleo (el nuacutecleo es a veces llamado
la guiacutea de ondas oacutepticas) Puede existir una cantidad significativa de energiacutea
transportada en la cola evanescente El campo evanescente puede usarse para
lograr una interaccioacuten mutua con otras guiacuteas o estructuras de ondas
adyacentes La interaccioacuten del campo evanescente es muy importante en
aplicaciones de dispositivos tales como el filtro de rejilla dieleacutectrica el laacuteser de
realimentacioacuten distribuida y el acoplador direccional El anaacutelisis matemaacutetico
debe ser numeacuterico o por aproximaciones para encontrar la distribucioacuten de
campo de los modos de guiacutea de ondas de canal
Figura 23 Perfil de iacutendice de refraccioacuten para guiacuteas de onda planas a) guiacutea de iacutendice escaloacuten b) guiacutea de iacutendice
gradiente y c) guiacutea de barrera oacuteptica [7]
b) c)
1198992
1198991
10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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10
Ademaacutes del conjunto de modos guiados que tienen valores propios discretos
hay un conjunto infinito de modos continuos Soacutelo la suma de eacutestos existe un
conjunto completo de funciones ortogonales Los modos continuos se llaman
modos de radiacioacuten porque estaacuten propagando ondas fuera de la guiacutea de ondas
En cualquier discontinuidad dieleacutectrica las condiciones de contorno de los
campos eleacutectrico y magneacutetico se satisfacen por la suma tanto de los modos de
onda guiados como de los modos continuos en ambos lados del liacutemite Los
modos continuos se excitan en cualquier discontinuidad su energiacutea irradia lejos
de la discontinuidad [13]
24 TEORIacuteA ELECTROMAGNEacuteTICA DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
241 Ecuaciones de Maxwell
B E A Saleh (2007) menciona que el campo magneacutetico y eleacutectrico en el
espacio libre satisfacen las ecuaciones de Maxwell estas toman la siguiente
forma
120513 times 119919 = 1205760120597119916
120597119905 (241)
120513 times 119916 = minus1205830120597119919
120597119905 (242)
120513 ∙ 119916 = 0 (243)
120513 ∙ 119919 = 0 (244)
donde
E es el campo eleacutectrico
H el campo magneacutetico
1205760 asymp (1
36120587) times 10minus9 119865
119898frasl es la permitividad eleacutectrica y
1205830 = 4120587 times 10minus7 119867119898frasl la permeabilidad magneacutetica
11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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11
Los componentes de E y H satisfacen la ecuacioacuten de onda en el espacio libre
dada por
nabla2119906 minus1
1198882
1205972119906
1205971199052 = 0 (245)
Donde c representa la velocidad de la luz en el vaciacuteo y equivale a
c =1
radicε0μ0asymp 3 times 108 m
sfrasl (246)
La funcioacuten escalar de 119906(119903 119905) se ascia a cualquiera de las componentes de E
(119864119909 119864119910 119864119911) y de H (119867119909 119867119910 119867119911)
La ecuacioacuten de onda se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell aplicando
el operador rotacional (nabla times) a la ecuacioacuten (242) haciendo uso de la identidad
nabla times (nabla times 119864) = nabla(nabla ∙ 119864) minus nabla2119864 y por medio de las ecuaciones (241) y (243) se
observa que las componentes satisface la ecuacioacuten de onda que es la base
para la oacuteptica y de la teoriacutea electromagneacutetica la velocidad de la luz estaacute
relacionada a las constantes electromagneacuteticas 1205760 y 1205830
242 Ecuaciones de Maxwell en un medio
En un medio donde las cargas no son libres dos o maacutes vectores de campo son
definidos como son la densidad de flujo eleacutectrico 119915(119903 119905) y la densidad de flujo
magneacutetico 119913(119903 119905) por lo que las ecuaciones de Maxwell se relacionan de la
siguiente manera
120513 times 119919 =120597119915
120597119905 (247)
120513 times 119916 = minus120597119913
120597119905 (248)
120513 ∙ 119915 = 0 (249)
120513 ∙ 119913 = 0 (2410)
12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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12
La relacioacuten que existe entre la densidad de flujo eleacutectrico D y el campo eleacutectrico
E depende de las propiedades del medio que se caracterizan por la densidad
de polarizacioacuten P En un medio dieleacutectrico la densidad de polarizacioacuten es la
suma de los dipolos eleacutectricos inducidos por el campo eleacutectrico asiacute mismo la
relacioacuten entre la densidad de flujo magneacutetico B y el campo magneacutetico H
depende de las propiedades del medio incorporado en la densidad de
magnetizacioacuten M Que se define de forma anaacuteloga a la densidad de
polarizacioacuten Las ecuaciones que relacionan las densidades de flujo y los
campos son
119915 = 1205760119916 + 119927 (2411)
119913 = 1205830119919 + 1205830119924 (2412)
En un medio homogeacuteneo todas las componentes de los campos E H D y B
son funciones continuas de la posicioacuten En un medio dieleacutectrico la tangencial de
las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico y la normal de las
componentes de las densidades de flujo eleacutectrico y magneacutetico deben ser
continuas
Si se considera una onda electromagneacutetica monocromaacutetica propagaacutendose en
un medio oacuteptico todas las componentes del campo eleacutectrico y magneacutetico son
funciones armoacutenicas del tiempo con frecuencia 120584 y frecuencia angular 120596 = 2120587120584
Se puede expresar el campo eleacutectrico y magneacutetico en su forma compleja
119916(119903 119905) = 119877119890[119864(119903)119890119895119908119905] (2413)
119919(119903 119905) = 119877119890[119867(119903)119890119895119908119905] (2414)
Sustituyendo (2413) y (2414) en las ecuaciones de Maxwell (247) ndash (2410)
y usando la relacioacuten (120597120597119905frasl )119890119895120596119905 = 119895120596119890119895120596119905 para ondas monocromaacuteticas con
frecuencia angular 120596 se produce un conjunto de ecuaciones con la amplitud de
su vector complejo de campo las cuales son
13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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13
120513 times 119919 = 119895120596119915 (2415)
120513 times 119916 = minus119895120596119913 (2416)
120513 ∙ 119915 = 0 (2417)
120513 ∙ 119913 = 0 (2418)
En una onda monocromaacutetica la amplitud de su vector complejo de campo
eleacutectrico y magneacutetico son ondas planas con el vector de onda k de modo que
119919(119903) = 1199190119890minus119895119896∙119903 (2419)
119916(119903) = 1199160119890minus119895119896∙119903 (2420)
donde 1199190 y 1199160 son vectores constantes la magnitud de k es 119896 = 1198991198960 (119899 es el
iacutendice de refraccioacuten) Por lo que se pueden reescribir las ecuaciones de
Maxwell
119948 times 1199190 = minus1205961205761199160 (2421)
119948 times 1199160 = 1205961205831199190 (2422)
120513 ∙ 119916 = 0 (2423)
120513 ∙ 119919 = 0 (2424)
De la ecuacioacuten (2421) se deduce que E debe ser perpendicular a k y a H de
manera similar de la ecuacioacuten (2424) se tiene que H debe ser perpendicular a
k y a E Entonces E H y k son mutuamente ortogonales como se muestra en la
figura 24 Ya que E y H se encuentran en un plano normal a la direccioacuten de
propagacioacuten k la onda es llamada onda transversal electromagneacutetica (TEM)
E
k
H
Figura 24 Onda transversal electromagneacutetica en un plano [10]
14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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14
De acuerdo con la ecuacioacuten (2421) las magnitudes 1199190 y 1199160 estaacuten
relacionadas por
1198670 = (120596120576
119896) 1198640 (2425)
Similarmente la ecuacioacuten (2422) por
1198670 = (119896
120596120583) 1198640 (2426)
La razoacuten entre las amplitudes del campo eleacutectrico y magneacutetico es 1198640
1198670frasl =
120596120583119896frasl = 119888120583 = radic120583
120576frasl Esta cantidad es conocida como impedancia del medio
representada por
120578 =1198640
1198670= radic
120583
120576 (2427)
Despueacutes de haber definido que 120578 = radic120583120576frasl Para un medio no magneacutetico 120583 = 1205830
se puede definir en teacuterminos de la impedancia del espacio libre 1205780 como
120578 =1205780
119899 (2428)
donde
1205780 = radic1205830
1205760asymp 120120587 asymp 377Ω (2429)
15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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15
243 Modos TE y TM en guiacuteas de onda planas
La seccioacuten transversal en la direccioacuten de la propagacioacuten puede ser dividido en
TE (transversal eleacutectrico) y TM (transversal magneacutetico) TE representa el caso
donde no hay componentes del campo eleacutectrico en la direccioacuten de la
propagacioacuten (es decir que sale del campo de propagacioacuten) y para TM no hay
componentes del campo magneacutetico en la direccioacuten de la propagacioacuten
En el caso de una onda plana se asume que 120597 120597119910frasl = 0 a lo que es similar a una
onda plana en un medio si se sustituye en las ecuaciones de Maxwell se
obtienen dos grupos de ecuaciones
120597119864119910
120597119911= 120583
120597119867119909
120597119905
120597119864119910
120597119909= minus120583
120597119867119911
120597119905
120597119867119911
120597119909minus
120597119867119909
120597119911= 120576
120597119864119910
120597119905
120597119867119910
120597119911= minus120576
120597119864119909
120597119905
120597119867119910
120597119909= 120576
120597119864119911
120597119905
120597119864119911
120597119909minus
120597119864119909
120597119911= 120583
120597119867119910
120597119905
La solucioacuten del conjunto de ecuaciones (2430a) pertenecen a los modos TE
las soluciones del segundo grupo de ecuaciones (2430b) son los modos TM
Ya que 120576 solo es una funcioacuten de x la variacioacuten de z debe de ser la misma en
todas las capas para la propagacioacuten de las ondas en la direccioacuten +z la
variacioacuten es 119890minus119895120573119911 asiacute como para ndashz la variacioacuten es 119890119895120573119911 Por lo que las
(2430a)
(2430b)
16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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16
ecuaciones para las ondas TE se pueden escribir de la siguiente manera para
119864119910 119864119910(119909 119911) = 119864119910(119909)119864119911(119911)
[1205972
1205971199092+ (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909)119864119910(119911) = 0 (2431)
[1205972
1205971199112 + 1205732] 119864119910(119911) = 0 (2432)
y
[1205972
1205971199092 + (1205962120583120576(119909) minus 1205732)] 119864119910(119909) = 0 (2433)
De manera similar el procedimiento anteriormente mencionado puede ser usado
para la obtencioacuten de los modos TM
Las soluciones a los modos oacutepticos de una guiacutea de onda canal no tienen
soluciones exactas por lo cual se han utilizado diferentes aproximaciones como
el meacutetodo del iacutendice efectivo Aunque los modos puros TE y TM no existen se
pueden encontrar modos parecidos para los cuales tanto Ez o Hz son
despreciables comparados con otras componentes de campo
25 EL MEacuteTODO DEL IacuteNDICE EFECTIVO
El meacutetodo del iacutendice efectivo ha sido utilizado desde inicios de la oacuteptica
integrada para tener una raacutepida aproximacioacuten de la constante de propagacioacuten
de los modos guiados [15] facilitando el anaacutelisis de numerosas estructuras
oacutepticas El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea canal
en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia entre los
iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea El meacutetodo como se
esquematiza en la figura 25 consiste en dividir verticalmente en tres zonas la
seccioacuten transversal de una guiacutea canal la zona central y dos laterales
Supoacutengase que la composicioacuten de la zona de los laterales es ideacutentica En la
figura 25 se muestra la seccioacuten transversal de una guiacutea en el plano (xy) asiacute
como la proyeccioacuten del perfil de iacutendice de refraccioacuten sobre el eje y El iacutendice de
17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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17
refraccioacuten proyectado en 119910 = 1199100 es el iacutendice efectivo de la guiacutea de onda cuyo
perfil de iacutendice de refraccioacuten es (119909 1199100) La proyeccioacuten consiste en una zona
central de ancho 120596 con un iacutendice efectivo 119873119891 y dos zonas laterales con iacutendices
119873119897 El espesor h de la guiacutea del bloque central es mayor que el ancho l de las
guiacuteas laterales Por lo tanto 119873119891 gt 119873119897 produciendo un confinamiento lateral de la
luz en la zona central
El meacutetodo del iacutendice efectivo procede de la siguiente manera
1 Calcular la asimetriacutea de la guiacutea para ondas TE con la siguiente
expresioacuten
119886 =(119899119904
2 minus 1198991198882)
(1198991198912 minus 119899119904
2)frasl (251)
2 Calcular las frecuencias normalizadas 119881 de la guiacutea central
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 (252)
donde 119896 =2120587
120582
Figura 25 Ilustracioacuten del meacutetodo del iacutendice efectivo
18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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18
3 Determinar los iacutendices normalizados 119887119891 de la guiacutea con ayuda de la
graacutefica de la figura 26 acorde a su asimetriacutea dada
4 Obtener el iacutendice efectivo de la primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) (253)
5 Trabajando ahora con el espesor 120596 y el nuevo iacutendice calculado 119873119909 se
calcula una frecuencia 119881prime con la expresioacuten (254) la luz se propaga
como si fuese confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea ahora es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 (254)
6 Nuevamente haciendo uso de la figura 26 se determina el iacutendice
normalizado
7 Por uacuteltimo se calcula su iacutendice efectivo
119873 asymp 119899119904 + 119887(119899119909 minus 119899119904) (255)
Figura 26 Diagrama del iacutendice de la guiacutea b como funcioacuten de la frecuencia normalizada V para los tres primeros modos
con diferentes asimetriacuteas [16]
19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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19
26 INTERCAMBIO IOacuteNICO
Para la oacuteptica integrada el vidrio es un buen substrato para la fabricacioacuten de
dispositivos gracias a las propiedades que presenta como son su bajo costo
resistencia rigidez mecaacutenica y su transparencia para las longitudes de onda en
telecomunicaciones Una de las caracteriacutesticas maacutes relevantes es que debido
a que su iacutendice de refraccioacuten es similar al de las fibras oacutepticas permite
disminuir las peacuterdidas por acoplamiento entre ambas
En un proceso de intercambio ioacutenico un ion del vidrio (usualmente sodio Na+)
es reemplazado por un ion de mayor tamantildeo o mayor polarizabilidad como plata
Ag+ potasio K+ cesio Cs+ rubidio Rb+ o talio Tl+ Consecuentemente el iacutendice
de refraccioacuten se aumentaraacute localmente dando origen asiacute a la guiacutea de onda El
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda en vidrio por el meacutetodo de intercambio
ioacutenico es conveniente por varias razones algunas de estas se mencionan a
continuacioacuten
bull El proceso ofrece una considerable flexibilidad en los paraacutemetros de
fabricacioacuten y pueden ser optimizados para una amplia gama de
aplicaciones
bull El proceso es simple y conveniente debido a la cantidad de muestras que
se pueden intercambiar en cada lote las guiacuteas de onda fabricadas tienen
pocas peacuterdidas
bull Este tipo de guiacuteas no presentan problemas en el acoplamiento con guiacuteas
de onda monomodo y multimodo
bull Las guiacuteas de onda de intercambios ioacutenicos tienen una configuracioacuten
plana Esto facilita considerablemente el uso de otros materiales (por
ejemplo) poliacutemeros no lineales) para la fabricacioacuten de dispositivos
hiacutebridos de oacuteptica integrada de muy alta calidad
20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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20
Las sales maacutes comunes en el proceso de intercambio ioacutenico son las sales de
potasio (tabla 1) como por ejemplo en nuestro caso el nitrato de potasio (1198701198731198743)
produce maacutes esfuerzo de compresioacuten en la superficie del vidrio cuando el ion de
potasio substituye el ion de sodio de la matriz del vidrio
El ion de potasio produce un cambio de iacutendice de refraccioacuten de alrededor de
001 Un substrato de vidrio contiene iones 119860+ que son sumergidos en un bantildeo
de sales fundidas que contiene iones 119861+ la interface vidrio-sales no estaacute en
equilibrio termodinaacutemico en la distribucioacuten de iones 119860+ y 119861+ Asiacute la agitacioacuten
teacutermica de la interface produce colisiones aleatorias en las cuales el ion 119861+
reemplaza un ion 119860+ de la matriz del vidrio un gradiente de concentraciones
establece la difusioacuten generada de los iones 119861+ hacia los iones 119860+ en el vidrio
En la figura 27 se muestra el esquema del proceso del intercambio ioacutenico de
sales [8] Por ejemplo el ion de 119873119886+ contenido en el vidrio es cedido por las
sales y el ion de potasio dado por la sal derretida de 1198701198731198743 es llevado dentro del
vidrio esto es
119860119907119894119889119903119894119900+ + 119861119904119886119897
+ harr 119860119904119886119897+ + 119861119907119894119889119903119894119900
+ (261)
Las temperaturas variacutean entre los 200 y 500 procurando estar por debajo
del punto de reblandecimiento del substrato de vidrio ya que se puede dantildear la
superficie a causa de la descomposicioacuten del nitrato La naturaleza isotroacutepica del
intercambio refleja que los perfiles de concentracioacuten de iones 119861+ en los
substratos tienen dimensiones laterales que exceden el ancho de los motivos
grabados por dos veces la profundidad del intercambio
21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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21
Sal fundida Vidrio
(1198731198743)minus
119861+
119873119886+
1198742minus
1198781198944+
Figura 27 Diagrama del intercambio ioacutenico entre sales fundidas y vidrio (119860+ = 119873119886+) [8]
22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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22
ION POLARIZABILIDAD
ELECTRONICA Å120785
RADIO
IONICO
Å
SAL
PUNTO
DE
FUSION
PUNTO DE
DECOMPOSICION
DOSIS
LETAL
LD50
119950119944119922119944frasl
-sal
119873119886+ 041 095 1198731198861198731198743 307 380 1955
1198731198861198731198743
119871119894+ 003 065 1198711198941198731198743 264 600 710
1198711198941198621198743
119860119892+ 24 126 1198601198921198731198743 212 444 2820
1198601198922119874
119870+ 133 133 1198701198731198743 334 400 1894
1198701198731198743
119877119887+ 198 149 1198771198871198731198743 310 - 1200
119877119887119862119897
119879119897+ 52 149 1198791198971198731198743 206 430 25
11987911989721198781198744
119862119904+ 334 165 1198621199041198731198743 414 - 1200
1198621199041198731198743
261 Guiacuteas de onda fabricadas por intercambio ioacutenico
Las guiacuteas canal son delimitadas por un material de barrera que se deposita en
el substrato previo a la inmersioacuten en las sales fundidas El material de barrera
no debe ser susceptible al ataque por las sales usualmente empleadas en el
intercambio ioacutenico y debe ser impermeable al movimiento ioacutenico Varios
materiales han sido usados pero uno de los maacutes convenientes es el aluminio
evaporado con al menos 100nm de espesor
Tabla 1 Paraacutemetros relevantes de iones monovalentes para intercambio ioacutenico en vidrio [8]
23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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23
Algunas de las caracteriacutesticas que presenta el vidrio intercambiado con potasio
son
bull El maacuteximo iacutendice de refraccioacuten de las capas intercambiadas es de entre
0001 y 016 sobre el iacutendice que tiene el substrato Esto permite la
fabricacioacuten de guiacuteas multimodo con apertura numeacuterica grande y tambieacuten
guiacuteas monomodo con buena reproducibilidad y control
bull Los mejores resultados en cuanto a las peacuterdidas de propagacioacuten son
obtenidas con guiacuteas de onda monomodo enterradas y sus peacuterdidas son
menores a 01 119889119861119888119898frasl
bull El tamantildeo usualmente no estaacute limitado Miliacutemetros en la profundidad de
los intercambios han sido logrados (para propoacutesitos diferentes al guiado
de ondas) Sin embargo para ciertas combinaciones de iones de vidrio
es difiacutecil o imposible intercambiar profundidades mayores a 10120583119898
El intercambio de 119873119886+
119870+frasl es realizado en un bantildeo de sales de nitrato de
potasio 1198701198731198743 utilizando un substrato de vidrio Menzel soda-lime con un iacutendice
de refraccioacuten de 15098 presentando un incremento de iacutendice de refraccioacuten de
∆119899 asymp 001 en la superficie Este tipo de guiacuteas presentan un confinamiento deacutebil
y una birrefringencia del orden de 10minus3 debido a la tensioacuten producida por la
diferencia del tamantildeo atoacutemico de los iones [17]
24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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24
CAPITULO 3
ASPECTO EXPERIMENTAL
31 INTRODUCCIOacuteN
En el Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica se fabrican dispositivos
de oacuteptica integrada mediante la teacutecnica de intercambio ioacutenico de sales Estos
dispositivos basan su estructura en guiacuteas de onda canal fabricadas mediante el
intercambio ioacutenico de potasio (119870+) en substratos de vidrio soda lime El Instituto
cuenta con un laboratorio para la fabricacioacuten de dispositivos optoelectroacutenicos
(cuarto limpio) en la que se hace uso del equipo necesario en la fabricacioacuten de
las guiacuteas de onda una alineadora de rayos Ultra Violeta (UV) donde se lleva a
cabo el proceso de fotolitografiacutea una evaporadora un perfiloacutemetro un horno y
dos campanas de extraccioacuten
Cabe mencionar que el trabajo en el cuarto limpio se hace en una campana de
extraccioacuten utilizando guantes bata y lentes de proteccioacuten para evitar tanto la
contaminacioacuten del dispositivo a fabricar como la inhalacioacuten y el contacto directo
de la piel con los diferentes quiacutemicos utilizados A los dispositivos de oacuteptica
integrada fabricados se les caracteriza oacutepticamente con una teacutecnica conocida
como caracterizacioacuten de campo cercano Esta teacutecnica consiste en acoplar luz a
la entrada del dispositivo y recolectarla a la salida con el fin de observar la
distribucioacuten de los patrones de intensidades Gracias a esta caracterizacioacuten es
posible localizar en el substrato las guiacuteas de onda que se fabricaron
correctamente determinar si son monomodo o multimodo y en base a las
dimensiones del patroacuten de irradiancia es posible estimar las peacuterdidas de
acoplamiento entre dos guiacuteas similares con patroacuten de irradiancia eliacuteptico o
entre una guiacutea de este tipo y una fibra oacuteptica [8] En el caso de ciertos
25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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25
dispositivos como interferoacutemetros o conmutadores esta caracterizacioacuten nos
permite tratar la sentildeal de salida a fin de determinar paraacutemetros involucrados en
su operacioacuten
Para llevara a cabo el desarrollo de este proyecto nos fijamos los objetivos
siguientes
1 Fabricar y caracterizar guiacuteas de onda canal viacutetreas de un ancho menor
hasta el que ahora se han fabricado en el IICO para ello seraacute necesario
optimizar cada uno de los procesos y paraacutemetros involucrados
2 Investigar e implementar algunas de las teacutecnicas utilizadas en la
fabricacioacuten de dispositivos de oacuteptica guiada con el fin de incursionar en la
fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas (polimeacutericas)
3 Caracterizar las guiacuteas de onda fabricadas y estimar algunos valores
caracteriacutesticos
32 FABRICACIOacuteN DE GUIacuteAS DE ONDA POR INTERCAMBIO IOacuteNICO
En el esquema de la figura 31 se detalla el proceso general de fabricacioacuten de
guiacuteas de onda canal utilizando la teacutecnica de fotolitografiacutea y de intercambio
ioacutenico Posteriormente se describen cada una de las etapas involucradas
321 Clivado y limpieza del substrato
La limpieza del substrato es un proceso constituido de varias etapas en cada
una de ellas se asegura la eliminacioacuten de cualquier impureza que pueda
intervenir en la fabricacioacuten de la guiacutea de onda
26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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26
bull Clivado del substrato Un porta objetos (soda ndash lime) se cliva en tres
partes iguales con un rayador para vidrio punta diamante como se
muestra en la figura 32 quedando la dimensioacuten de cada uno de los
substratos de 2X2 cm Durante el proceso de fotolitografiacutea es muy
importante identificar la parte frontal y la trasera del substrato Para ello
es necesario poner una marca en una esquina de cada uno de los
substratos con el mismo rayador con el que se clivaron La superficie que
tiene la marca pasa a ser la parte trasera de nuestro substrato (parte que
estaraacute en contacto con las diferentes superficies involucradas durante
todo el proceso de fabricacioacuten) y la parte frontal (no hay marca) es en
donde se fabrican las guiacuteas de onda
Figura 31 Esquema del proceso de fotolitografiacutea e intercambio ioacutenico
27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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27
bull Lavado enjuagado y secado de los substratos Una vez cortados y
marcados los substratos se colocan en un porta-substratos para
posteriormente sumergirlos en un vaso de precipitado con una solucioacuten de
100 ml de agua y 5 ml de jaboacuten liacutequido El vaso es colocado en una parrilla
eleacutectrica (figura 33 (a)) hasta llevar al inicio de la ebullicioacuten Cuando se
alcanza el estado de ebullicioacuten de la solucioacuten se retira el vaso de la parrilla
con las pinzas se sustituye el agua jabonosa por agua limpia se enjuagan
los substratos de manera individual con suficiente agua hasta eliminar
totalmente cualquier residuo de jaboacuten Despueacutes se secan con nitroacutegeno
comprimido (figura 33 (b)) en direccioacuten hacia la pinza con la que se
sostienen y por uacuteltimo se guarda cada uno de los substratos en sobres
hechos con papel oacuteptico para evitar que se contaminen
A B C
Vista de canto
Clivado
Parte frontal del substrato
Parte trasera del substrato
A
Pistola de
nitroacutegeno
comprimido
Figura 33 (a) Limpieza del substrato (b) Secado de los Substratos con nitroacutegeno comprimido
Vaso de
precipitado
con los
substratos
Parrilla eleacutectrica
Figura 32 Clivado y marcado del substrato
28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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28
322 Depoacutesito del material de barrera
El aluminio ha sido el material de barrera maacutes utilizado en la fabricacioacuten de
guiacuteas de onda por intercambio ioacutenico debido a que es inerte al substrato y no
altera el proceso de ionizacioacuten en el bantildeo de sales Tambieacuten posee buena
adherencia al substrato y se ataca quiacutemicamente con relativa facilidad sin que
se vea afectado el substrato [21] Para el desarrollo de este trabajo el depoacutesito
del aluminio se llevoacute a cabo en la evaporadora de metales VEECO V-300 (figura
34) que logra un vaciacuteo de 10minus6119905119900119903119903 [22]
Con el fin de determinar la cantidad de aluminio que se necesita para obtener
un espesor determinado depositado sobre el substrato en teacuterminos de la
distancia H de una fuente puntual (figura 35) se hace uso de la siguiente
expresioacuten [23]
Figura 34 Evaporadora de metales VEECO V-300
29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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29
119897 =119898119867
4120587120588(1198672+1198712)3
2frasl=
119898
4120587120588119867
1
[1+(119871
119867)
2]
2 (311)
En donde
119898 = 41205871205881198971198672 para calcular la masa del aluminio a evaporar (312)
119897 es el espesor deseado
120588 la densidad del material de barrera en este caso es el aluminio que es 120588 =
26989119892
1198881198983frasl
L es el radio de las muestras a evaporar y
H es la altura del alambre de tungsteno al centro de los substratos (en este
caso a 4119888119898)
Despueacutes de haber depositado el aluminio se verifica el espesor depositado
mediante el uso de un perfiloacutemetro En base a la experiencia es recomendable
depositar un espesor mayor a 300 nanoacutemetros de aluminio para asegurar su
resistencia al bantildeo de sales del intercambio ioacutenico
H
L
Filamento de
Tungsteno
Figura 35 Moacutedulo de evaporacioacuten [23]
30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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30
323 Eleccioacuten y depoacutesito de la resina fotosensible
Se mencionoacute anteriormente que uno de los objetivos de este trabajo era el de
fabricar guiacuteas de onda canal con el menor ancho posible considerando que en
el IICO contamos con una mascarilla compuesta por 6 series de canales en las
que el ancho de los canales impresos en cromo variacutean desde 200120583119898 hasta
10120583119898 con una separacioacuten entre ellos que va desde 100 hasta alrededor de
300120583119898 [21]
Es por ello que en esta etapa del proceso contemplamos dos opciones utilizar
una resina positiva o una resina negativa tal y como se resume en el esquema
de la figura 36 La resina positiva es aquella que se elimina despueacutes de ser
insolada con luz UV y revelada En cambio la resina negativa se elimina
despueacutes del revelado siempre y cuando no haya estado expuesta a los rayos
UV De esta forma y de acuerdo con la figura 36 utilizando la misma
mascarilla tenemos la posibilidad de abrir canales de diferente ancho en el
material de barrera seguacuten la resina utilizada
En el paso (1) del esquema de la figura 36 se muestra la mascarilla con la que
cuenta el Instituto cuando se utiliza fotoresina positiva (figura 36 (a)) la parte
insolada con la luz ultravioleta (separacioacuten entre canales) se elimina al ser
revelada (paso 3) quedando solo la resina no insolada (canales obscuros) lo
que genera canales con un ancho muy grande grabados (abiertos) en el
aluminio quedando expuesto el vidrio que al intercambiarse con los iones de
potasio nos da como resultado guiacuteas de onda canal muy anchas tal y como se
observa en el paso 4
Por el contrario en la figura 36 (b) se muestra lo que ocurre al emplear
fotoresina negativa la parte insolada con la luz UV (separacioacuten entre canales)
es la que permanece sobre el substrato desprendieacutendose la parte que no fue
expuesta a los rayos UV (canales obscuros) lo que al final genera canales maacutes
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 38: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/38.jpg)
31
angostos grabados en el aluminio que al llevar a cabo el intercambio ioacutenico nos
producen guiacuteas de onda canal maacutes estrechas
Vista transversal de las
guiacuteas de onda canal
fabricadas
2)
3)
4)
Intercambio ioacutenico
Canales en cromo
Luz ultra
violeta
Mascarilla vista
de canto
Resultado generado
con la resina positiva
Resultado generado
con la resina negativa
Fotoresina
negativa
Figura 36 Esquema del proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal empleando (a) fotoresina positiva y (b)
fotoresina negativa
1)
Fotoresina
positiva
Aluminio
Substrato
32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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32
bull Depoacutesito de la resina negativa
Posterior al depoacutesito del material de barrera se lleva a cabo el depoacutesito
de la fotoresina que forma parte de un Kit (Sigma-Aldrich Kit I) [24] que
contiene ademaacutes de la fotoresina un revelador y un disolvente Esto nos
permite disolver la resina dependiendo de los espesores depositados que
estemos buscando Este depoacutesito se realiza en una sala blanca ldquoclean
roomrdquo con extractor de aire y las ventanas forradas de una mica amarilla
para evitar que la luz UV ambiental afecte nuestros resultados los pasos
a seguir son los siguientes
El depoacutesito de la fotoresina sobre el substrato se lleva a cabo mediante
la teacutecnica de spin-coating la cual consiste en un centrifugado con el spin-
coater Chemat Technology En la platina del spinner se coloca el
substrato en el centro de la base para poder succionarlo con vaciacuteo para
que no se mueva al hacer girar la base En la figura 37 (a) se muestra
una imagen del Spin-Coater con el que se depositan entre tres y cuatro
gotas de fotoresina negativa en el centro del substrato para tener una
peliacutecula uniforme El ldquospinnerrdquo se programa a las rpm y tiempo de
rotacioacuten deseados Antes de posicionar la muestra en la platina es
necesario cerciorarse de que se estaacute colocando el substrato con el
aluminio hacia arriba que es donde se va a hacer el depoacutesito
Inmediatamente despueacutes del depoacutesito se hace un pre-horneado a 82
por 20 minutos este intervalo de tiempo no debe ser excedido para que
la fotoresina no se endurezca (figura 37 (b))
33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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33
bull Depoacutesito de la resina positiva
La fotoresina positiva utilizada es la Shipley 1818 [25] es menos viscosa
en comparacioacuten con la negativa por lo cual no es necesario diluirla y el
tiempo y temperatura de horneado son diferentes Al igual que con la
resina negativa en el spin-coater se depositan aproximadamente 3 gotas
para que se cubra toda la superficie del substrato se hornea por 30
minutos a una temperatura de 90degC y en este caso no es necesario
realizar un segundo horneado despueacutes del revelado
324 Insolacioacuten y revelado de la resina fotosensible
bull Resina negativa
Una vez que las muestras se han enfriado despueacutes del pre-horneado se
procede a la insolacioacuten de la fotoresina durante el tiempo suficiente para
que la luz penetre todo el espesor depositado Este proceso se lleva a
cabo en la alineadora UV OAI serie 200 (figura 38) la cual emite en un
rango de longitud de onda (120582) de 260 nm a 325 nm [26] Dado que la
Figura 37 (a) Spin-Coater para el depoacutesito de la fotoresina (b) horno eleacutectrico Jouan
34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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34
fotoresina es negativa quedaraacuten grabados los motivos obscuros como se
muestra en la figura 36 (b)
Al teacutermino de la insolacioacuten se hace el revelado de la resina por los
segundos necesarios con el revelador que incluye el kit Despueacutes se
enjuaga con alcohol isopropiacutelico para eliminar el quiacutemico y se seca la
muestra con nitroacutegeno comprimido Posteriormente se hace un recocido
por 10 minutos a 120 para adherir la resina despueacutes del revelado (es
importante hacer eacuteste nuevo horneado ya que la resina queda blanda
despueacutes del revelado y se desprende faacutecilmente) este horneado no debe
de exceder los 148
bull Resina positiva
En el caso de la resina positiva solamente es necesario determinar el
tiempo de insolacioacuten suficiente para asegurar la total penetracioacuten de la
luz UV en el espesor de resina depositado El tiempo de revelado es de 5
a 10 segundos dependiendo de la inspeccioacuten al microscopio de la
muestra para finalmente enjuagar con agua
Figura 38 Alineadora UV OAI serie 200
35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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35
325 Ataque del material de barrera
Para grabar los canales en el aluminio la muestra se ataca quiacutemicamente
sumergieacutendola en aacutecido ortofosfoacuterico (11986731198751198744) a 40 calentado a bantildeo mariacutea
tal y como se muestra en la figura 39 Despueacutes de aproximadamente medio
minuto el aluminio comienza a desprenderse en las zonas donde no hay
fotoresina El tiempo que tarde el ataque depende del espesor depositado Se
recomienda que despueacutes de un minuto de ataque se enjuague la muestra y se
inspeccione al microscopio en caso de ser necesario repetir esto una y otra vez
hasta que se observen los canales abiertos en el aluminio y de esta forma
quede expuesto el substrato y poder realizar el intercambio ioacutenico
Al terminar de abrir los canales en aluminio se elimina por completo la resina
negativa restante con el remover incluido en el kit para despueacutes proceder con el
intercambio ioacutenico En el caso de la resina positiva la resina restante se elimina
con un bantildeo de acetona
326 Intercambio ioacutenico
Despueacutes de los procedimientos mencionados anteriormente las muestras se
encuentran listas para el proceso del intercambio ioacutenico para ello se emplea el
horno que se muestra en la figura 310
11986731198751198744
Figura 39 Ataque quiacutemico con aacutecido ortofosfoacuterico
36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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36
El horno consta de un control de programable para que se mantenga a la
temperatura deseada En nuestro caso se fija a una temperatura de 380 que
es el valor ideal para los intercambios entre vidrios con alto contenido en sodio
y las sales de nitrato de potasio (KNO3) las cuales comienzan a fundirse a los
110 pero se debe esperar a que el sistema alcance la temperatura de 380
que es la temperatura a la que los iones de sodio tienen mayor movilidad y se
desprenden de la matriz viacutetrea
El horno consta de un sistema de extraccioacuten y un motor que nos permite bajar y
subir el porta muestras para introducirlas lentamente en el vaso con la sal
fundida y comenzar asiacute el intercambio ioacutenico El tiempo de intercambio variacutea
dependiendo del tipo de sal y de substrato pero en nuestro caso es suficiente
con siete horas y media para completar el proceso [27]
Una vez terminado el intercambio se apaga el horno y se comienza a subir
lentamente el porta-muestras cuando se saca completamente del vaso que
contiene la sal fundida se dejan ahiacute hasta que los substratos alcancen la
Figura 310 Horno para intercambio ioacutenico
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 44: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/44.jpg)
37
temperatura ambiente para poder sacarlas del horno y asiacute prevenir cualquier
choque teacutermico que les pudiera romper o provocar fisuras
327 Pulido de las guiacuteas de onda
Despueacutes del intercambio ioacutenico las muestras se enjuagan para eliminar el
remanente de sal solidificada y dar paso al pulido de los dos extremos de las
guiacuteas El tener ambos extremos pulidos nos permitiraacute acoplar luz a las guiacuteas y
caracterizarlas Es recomendable llevar a cabo el proceso de pulido cuando
todaviacutea se tiene el material de barrera sobre el substrato esto con el fin de
visualizar las guiacuteas ya que el vidrio intercambiado a simple vista no presenta
color alguno y si se elimina el aluminio antes de pulir no tendremos ninguna
referencia que nos indique los extremos de las guiacuteas
En esta etapa se utilizan abrasivos de diferente tamantildeo de grano y una pulidora
de plato en huacutemedo Sobre el reveacutes del substrato y a lo largo de los dos
extremos de las guiacuteas (ver esquema de la figura 311) se hace una cuntildea con
una hoja abrasiva de nuacutemero 240 cuidando de no tocar la superficie en donde
se encuentran las guiacuteas El objetivo de esta cuntildea es que al pulir la muestra en
vertical la superficie a pulir sea menor tomando asiacute menos tiempo y evitando
que los discos abrasivos se desgasten raacutepidamente Para pulir los extremos se
utilizan abrasivos de hoja diamantada Newport de diferente tamantildeo de grano
comenzando por la hoja con un tamantildeo de grano de 63120583119898 (color gris)
continuando con la de 9120583119898 (color azul) despueacutes con la de 1120583119898 (color violeta) y
por uacuteltimo la de 03120583119898 (color blanco)
38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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38
La duracioacuten del pulido con cada uno de los abrasivos dependeraacute de la
inspeccioacuten al microscopio Esta inspeccioacuten se hace con la ayuda de una retiacutecula
y se busca que las fracturas o defectos del extremo que se esteacute puliendo no
sobrepasen el tamantildeo del grano a utilizar Cada vez que se termine de usar
una hoja abrasiva es necesario enjuagar la muestra para evitar que los residuos
dantildeen el pulido obtenido Al terminar el pulido se elimina por completo el
material de barrera Como anteriormente se mencionoacute esto se hace atacando
el aluminio con el aacutecido ortofosfoacuterico a 40 en bantildeo mariacutea dando el tiempo
suficiente para remover por completo el aluminio
Finalmente se enjuaga la muestra con abundante agua y a partir de este
momento es necesario tener sumo cuidado al manipular las guiacuteas para evitar
dantildear los extremos En la imagen de la figura 312 se puede observar una de
a) b)
Guiacuteas
Figura 311 Esquema para el pulido de las muestras a) Vista vertical de la muestra b) se muestra la cuntildea c) vista de
canto de la muestra con las cuntildeas y d) vista de canto vertical de la muestra sobre el giro de plato
Reveacutes
Reveacutes Vista de canto
c) d)
Giro de plato pulidor
39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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39
las muestras una vez concluido el pulido de los extremos Las guiacuteas se
encuentran en la superficie inferior y podemos apreciar la cuntildea del substrato
33 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA
331 Montaje del banco oacuteptico de campo cercano en el visible (VIS)
Para la caracterizacioacuten de campo cercano de los dispositivos fabricados se
implementoacute el banco oacuteptico que se muestra en el esquema de la figura 313
Este montaje estaacute constituido de un laacuteser de Helio-Neoacuten con una longitud de
onda de 120582 = 633119899119898 un objetivo microscoacutepico de 20X que se utiliza para
focalizar la luz del laacuteser a la entrada de uno de los extremos de las guiacuteas A la
salida de las mismas la luz se recolecta con otro objetivo de microscopio
ideacutentico al de acoplamiento y que nos permite focalizar el patroacuten de intensidad a
la salida de la guiacutea sobre una caacutemara CCD Sony XC-75 que va conectada a un
monitor En la figura 314 podemos observar una imagen del banco oacuteptico
implementado Cabe mencionar que tanto los objetivos de microscopio como el
portamuestras tienen libertad de movimiento micromeacutetrica en X Y Z Gracias al
porta-muestras que tiene movimiento en la direccioacuten transversal al haz de luz
(X) podemos acoplar la sentildeal a todas las guiacuteas que se encuentran en el
substrato conforme lo desplazamos
Figura 312 Muestra despueacutes del pulido de los extremos
40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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40
Figura 313 Esquema del banco oacuteptico de campo cercano
Figura 314 Montaje experimental del banco oacuteptico de campo cercanoa)
Objetivo
microscoacutepico de
salida
Objetivo
microscoacutepico
de entrada
Porta-
muestra Laacuteser He-Ne 120582 =
633119899119898
X
Y
Z
41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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41
34 FABRICACIOacuteN DE GUIAS DE ONDA CANAL ORGAacuteNICAS
341 Aplicacioacuten de la teacutecnica de lift-off
La fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
se puede llevar a cabo utilizando los poliacutemeros en forma de solucioacuten para
depositarlos con la teacutecnica de spin-coating Para ello es necesario una
estructura como la que se muestra en la figura (315) en la cual se abran
canales para que sean ldquorellenadosrdquo por el poliacutemero en cuestioacuten
El requisito principal es que esta estructura debe fabricarse de un material que
no reaccione al disolvente del poliacutemero tal y como sucede con la resina
fotosensible positiva que reacciona a los disolventes maacutes comunes (acetona
tricloroetano cloroformo tolueno etchellip)
En este trabajo utilizamos tres materiales para formar esta estructura aluminio
fotoresina negativa y spin on glass La teacutecnica utilizada es la llamada Lift - OFF
que se esquematiza en la figura (316)
Material
resistente al
disolvente del
poliacutemero
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 315 Estructura base para la fabricacioacuten de guiacuteas de onda polimeacutericas
42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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42
Esta teacutecnica consiste en abrir canales en la resina fotosensible (pasos 3 y 4)
para despueacutes depositar el ldquomaterial propiciordquo que no sea miscible al disolvente
del poliacutemero Este material rellena los canales abiertos previamente en la resina
(paso 5) Finalmente se sumerge la muestra en el revelador para eliminar la
resina quedando asiacute canales abiertos delimitados por el material propicio (paso
6) Estos canales son los que se ldquollenaraacutenrdquo por el poliacutemero a utilizar formando
asiacute las guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
Substrato
Fotoresina
Figura 316 Esquema de la teacutecnica de lift - off
2 Depoacutesito de fotoresina
1 Limpieza del substrato
Substrato
4 Revelado de fotoresina
Substrato
Canales abiertos en fotoresina
5 Depoacutesito del material propicio
Substrato
Canales abiertos en fotoresina Depoacutesito del material propicio
6 Eliminacioacuten de fotoresina
Substrato
Material propicio
3 Iluminacioacuten UV (fotolitografiacutea)
Substrato
Fotoresina
Mascarilla
UV
43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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43
En principio la caracterizacioacuten de este tipo de guiacuteas se llevariacutea a cabo en el
mismo banco oacuteptico de campo cercano esquematizado en la figura 313
342 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (resina fotosensible)
Otra forma de fabricar las guiacuteas orgaacutenicas es abrir canales en una fotoresina
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
316 (paso 4)
44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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44
CAPITULO 4
RESULTADOS y ANAacuteLISIS
En el desarrollo de este trabajo se emplearon dos meacutetodos para la fabricacioacuten
de guiacuteas canal de acuerdo a como se esquematizoacute en la figura 36 del capiacutetulo
anterior
En eacuteste capiacutetulo se muestran los resultados experimentales obtenidos y el
anaacutelisis referente a los diferentes procesos involucrados y la caracterizacioacuten de
las guiacuteas de onda Se presentan tambieacuten los resultados del caacutelculo de los
iacutendices efectivos de las estructuras fabricadas que fueron estimados mediante
el meacutetodo del iacutendice efectivo descrito en el capiacutetulo 2
En lo que concierne a la fabricacioacuten de las guiacuteas de onda orgaacutenicas
presentamos los resultados obtenidos al fabricar guiacuteas con fotoresina y
enlistamos una serie de teacutecnicas que se implementaron pero las cuales no se
alcanzaron a depurar debido a la premura del tiempo
41 FABRICACIOacuteN DE LAS GUIacuteAS DE ONDA VIacuteTREAS
411 Deposicioacuten del material de barrera
Para este trabajo se empleoacute como material de barrera el aluminio y haciendo
uso de la ecuacioacuten 312 calculamos la masa aproximada requerida para lograr
un espesor (e) tal que 07120583119898 le 119890 ge 1120583119898 de acuerdo a esto la cantidad de
aluminio colocada en la evaporadora fue de asymp 38119898119892 Se midioacute el espesor de
aluminio depositado en un perfiloacutemetro para ello se hicieron algunas marcas
sobre el aluminio hasta llegar al substrato sin dantildearlo En la figura 42 se
45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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45
muestra una graacutefica de las mediciones la cual nos muestra que el espesor
promedio es de 07120583119898 plusmn 005
Figura 42 Espesor del material de barrera
Figura 41 Substrato con el depoacutesito del material de barrera
46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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46
412 Depoacutesito exposicioacuten y revelado de las resinas fotosensibles
En esta seccioacuten solamente listamos los paraacutemetros de depoacutesito ya optimizados
para ambas resinas positiva y negativa Ya que previamente se hicieron
muacuteltiples pruebas tanto en el espesor de las fotoresinas como en los tiempos
de insolacioacuten adecuado para cada uno de los espesores Cabe mencionar que
para todas las deposiciones listadas en la tabla1 el tiempo de deposicioacuten fue de
10 segundos
bull Fotoresina positiva
Spinner (rpm) Tiempo de
insolacioacuten (seg)
Tiempo de
revelado (seg)
Espesor
obtenido
(microm)
1000 160 5 2
3000 100 5 13
6000 80 5 09
Tabla 1 Paraacutemetros de la fotoresina positiva a diferentes revoluciones por minuto
bull Fotoresina negativa
Se prosiguioacute con la fotoresina negativa de la cual se diluyeron 8 ml en 4 ml del
disolvente incluido en el mismo Kit buscando obtener una densidad aproximada
al de la resina positiva y al hacer el depoacutesito nos basamos en los resultados
listados en la tabla 1 El spinner se programoacute a 6000 rpm durante 10 segundos
y se agregaron aproximadamente tres gotas de fotoresina negativa para que
cubriera toda la superficie Despueacutes que se depositoacute y se pre-horneoacute la
fotoresina se procedioacute a medir en el perfiloacutemetro Las medidas arrojaron que el
espesor total es decir aluminio maacutes fotoresina es de 1120583119898 plusmn 005 tal y como se
puede observar en la figura 43 por lo que el espesor de la fotoresina negativa
es de aproximadamente 03120583119898
47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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47
Despueacutes de varias pruebas se encontraron los paraacutemetros oacuteptimos para la
insolacioacuten de la fotoresina negativa son 80 segundos de insolacioacuten y 18
segundos de revelado para grabar y abrir completamente los canales en la
fotoresina con dicho espesor Lo maacutes importante es abrir los canales hasta
llegar al material de barrera para despueacutes poder atacar dicho material con aacutecido
ortofosfoacuterico y asiacute abrir los canales en aluminio para dejar expuesto el substrato
como se muestra en la figura 44 Si la abertura de los canales no llega al
substrato entonces no seraacute posible realizar el intercambio ioacutenico con eacutexito
Figura 44 Muestra con canales abiertos en fotoresina llegando al material de barrera
Figura 43 a) Espesor total de los depoacutesitos de material de barrera y de la fotoresina negativa con un aproximado de
1120583119898 b) esquema de la muestra con los espesores
Substrato
Aluminio
Fotoresina 1120583119898
03120583119898
07120583119898
a)
b)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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![Page 55: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/55.jpg)
48
413 Abertura de los canales en el material de barrera
Como mencionamos en la seccioacuten anterior para poder llevar a cabo el proceso
del intercambio ioacutenico es necesario abrir los canales en el aluminio Despueacutes
del revelado la muestra se sumerge en el aacutecido ortofosfoacuterico cuando se
observa un burbujeo es sentildeal de que el aluminio comienza a desprenderse del
substrato (figura 45) Es necesario estar verificando en un microscopio oacuteptico
que los canales se abran por completo tal y como se puede observar en la
imagen de la figura 46
Figura 45 Muestras sumergidas en aacutecido ortofosfoacuterico
Figura 46 Canales totalmente abiertos en aluminio despueacutes del ataque quiacutemico
49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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49
42 CARACTERIZACIOacuteN DE LAS GUIAS DE ONDA FABRICADAS
421 Visualizacioacuten de las guiacuteas en superficie
Despueacutes de que se elimina el material de barrera la uacutenica forma de saber sobre
que superficie se encuentran las guiacuteas es guiaacutendonos por la cuntildea que se le
hace al substrato durante el pulido Vistas al microscopio el material que forma
las guiacuteas sigue siendo vidrio solamente con una pequentildea alteracioacuten en su
iacutendice de refraccioacuten (∆119899 = 001) por lo que no podemos percibir ninguacuten cambio
de coloracioacuten
En nuestro caso al estar inspeccionando la superficie de las guiacuteas para verificar
que no quedaran residuos de aluminio se lograron observar y capturar con una
caacutemara los canales confinados (ver figura 47) Esto fue posible manipulando la
direccioacuten de incidencia de la luz del microscopio en el que se observaron
Figura 47 Imagen de los Canales en un microscopio oacuteptico despueacutes de eliminar por completo el material de
barrera
50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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50
422 Caracterizacioacuten de campo cercano
La caracterizacioacuten de campo cercano nos permite observar los patrones de
irradiancia a la salida de las guiacuteas canal fabricadas y de esta forma saber si las
guiacuteas son monomodo o multimodo a la longitud de onda de caracterizacioacuten 120582 =
6328119899119898 El banco oacuteptico implementado es el que se esquematizoacute en la figura
313 del capiacutetulo anterior La luz a la salida de las guiacuteas se proyecta en una
pantalla y se observa lo que tenemos en la figura 48
Despueacutes se quita la pantalla y en su lugar se coloca una caacutemara CCD
conectada a un monitor que nos permite ver con claridad el patroacuten de
irradiancia tal y como se muestra en la figura 49 Podemos observar que el
patroacuten de irradiancia claramente no corresponde al patroacuten de una guiacutea
monomodo (haz transversal semi-gaussiano) Podemos afirmar que las guiacuteas
fabricadas son multimodo para la longitud de caracterizacioacuten de onda 120582 =
6328119899119898
Figura 48 Proyeccioacuten en una pantalla del patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal confinada por
intercambio ioacutenico de 119873119886+
119870+frasl
51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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51
Las guiacuteas canal anteriormente fabricadas en el Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica correspondiacutean a canales de un ancho asymp 30120583119898 y en la
caracterizacioacuten de campo cercano mostraban un mayor nuacutemero de loacutebulos (ver
figura 410) para una longitud de onda 120582 = 6328119899119898 cabe mencionar que la
escala entre ambas figuras (49 y 410) no es la misma
Figura 49 Patroacuten de irradiancia a la salida de la guiacutea fabricada Longitud de onda 120582 = 6328119899119898 con un ancho
canal de plusmn17120583119898
plusmn30120583119898
Figura 410 Patroacuten de irradiancia a la salida de una guiacutea canal con un ancho de plusmn30120583119898 120582 = 6328119899119898 [9]
52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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52
Cabe mencionar que en un solo substrato se tienen del orden de 50 guiacuteas de
onda canal en el momento de caracterizarlas algunas de ellas no guiacutean luz
debido a posibles defectos de fabricacioacuten Las guiacuteas que si funcionan presentan
en su mayoriacutea el mismo patroacuten de irradiancia a la salida como el que se
muestra en la figura 49
43 Caacutelculo del iacutendice efectivo
Como se habiacutea mencionado en el capiacutetulo 2 el meacutetodo del iacutendice efectivo nos
ayuda a estimar los iacutendices efectivos de los modos guiados por una guiacutea de
onda canal El meacutetodo se basa en hacer una aproximacioacuten raacutepida de una guiacutea
canal en una guiacutea plana este meacutetodo se puede aplicar cuando la diferencia
entre los iacutendices del nuacutecleo y del substrato es muy pequentildea En la figura 411
se muestra un esquema transversal de las guiacuteas fabricadas con los paraacutemetros
obtenidos experimentalmente
Sabemos que el ancho de nuestras guiacuteas es de 17120583119898 y en la literatura
encontramos que la profundidad caracteriacutestica de difusioacuten del potasio (119870+) en
un substrato de vidrio es de aproximadamente 8120583119898[28]
Guiacutea
Substrato
ℎ = 8120583119898
120596 = 17120583119898
Figura 411 Esquema de una guiacutea confinada en un substrato con los datos obtenidos experimentalmente
53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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53
A continuacioacuten se enlistan los paraacutemetros utilizados en el caacutelculo
bull Iacutendice de refraccioacuten en el substrato 119899119904 = 15098
bull Cambio del iacutendice de refraccioacuten despueacutes del intercambio ioacutenico ∆119899 =
001
bull Iacutendice de refraccioacuten de la guiacutea 119899119891 = 15198
bull Iacutendice del aire 119899119888 = 1
bull Se utilizoacute un laacuteser de Helio ndash Neoacuten el cual tiene una longitud de onda de
120582 = 6328119899119898
Siguiendo los pasos del meacutetodo para el caacutelculo de los iacutendices efectivos de la
seccioacuten 25 del capiacutetulo 2 se tiene que
1 Calculamos la asimetriacutea
119886 =119899119904
2 minus 1198991198882
1198991198912 minus 119899119904
2=
(15098)2 minus 1
(15198)2 minus (15098)2
Por lo tanto la guiacutea tiene una asimetriacutea de
119886 = 4223
2 Ahora calculamos la frecuencia normalizada que es la misma para los
diferentes modos guiados
119881 = 119896ℎradic1198991198912 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(8 times 10minus6)radic(15198)2 minus (15098)2
119881 = 1382 asymp 14
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
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![Page 61: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/61.jpg)
54
3 Con ayuda de la graacutefica de la figura 27 del capiacutetulo 2 obtenemos el valor
del iacutendice normalizado b para el modo fundamental que es 095
Recordemos que para asimetriacuteas mayores a 10 tomamos el valor de 119886
como infinito En el grafico mencionado nos situamos en el eje x (V) en el
valor obtenido 119881 asymp 14 y buscamos la interseccioacuten con la curva que le
corresponde a la asimetriacutea 119886 = infin
4 De esta forma calculamos el iacutendice efectivo el iacutendice efectivo 119873119909 de la
primera estructura
119873119909 asymp 119899119904 + 119887(119899119891 minus 119899119904) asymp 15098 + 095(15198 minus 15098)
119873119909 asymp 15193
5 Con este nuevo iacutendice se calcula la frecuencia normalizada 119881prime para el
ancho de la guiacutea 120596 recordando que la luz se propaga como si fuese
confinada por el iacutendice 119873119909 la asimetriacutea es 119886 = 0
119881prime = 119896120596radic1198731199092 minus 119899119904
2 =2120587
6328 times 10minus9(17 times 10minus6)radic(15193)2 minus (15098)2
119881prime = 2863 asymp 29
6 Nuevamente hacemos uso del grafico de la figura 27 para determinar el
nuevo iacutendice normalizado 119887prime de la nueva estructura el cual tiene un valor
de 1
7 El iacutendice efectivo es
119873 asymp 119899119904 + 119887prime(119873119909 minus 119899119904) asymp 15098 + 1(15193 minus 15098)
119873 asymp 15193
55
Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
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Lo mismo se hace para el modo dos y tres En la tabla 1 se muestran los
resultados obtenidos para los tres primeros modos en donde la asimetriacutea y la
frecuencia normalizada es la misma para todos
119886 = 4223 ℎ = 8120583119898
119881 asymp 14 Modo 1 Modo 2 Modo 3
Iacutendice normalizado
b 095 085 055
Iacutendice de refraccioacuten de
la primera estructura
119873119909
15193 15183 15153
119886 = 0 120596 = 17120583119898 y 119873119909 de cada modo para la nueva estructura
Frecuencia normalizada
119881prime 29 27 22
Iacutendice normalizado
119887prime 1 09 08
Iacutendice efectivo
N 15193 15174 15142
Tabla 2 Caacutelculo del iacutendice efectivo para los tres primeros modos
El iacutendice efectivo debe de estar en el rango de 15098 y 15198 que son los
iacutendices del substrato y de la guiacutea nuestros caacutelculos estaacuten dentro de estos
paraacutemetros por lo que se puede decir que son correctos
431 Simulacioacuten de la guiacutea de onda canal fabricada
Usamos el simulador free BPM (Beam Propagation Method) [29] mediante el cual
es posible estimar el iacutendice efectivo y los modos de propagacioacuten de diferentes
estructuras de oacuteptica guiada los datos que debemos introducir son la longitud
de onda el iacutendice de refaccioacuten del substrato 119899119904 el iacutendice de la guiacutea N el
56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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56
cambio de iacutendice de refraccioacuten ∆119899 y el ancho de la guiacutea 120596 al introducir los
nuestros en la figura 412 se muestra coacutemo se va propagando la luz a lo largo
de la guiacutea para un modo
El iacutendice efectivo para esta estructura plana que calcula el simulador es de
15196 para el modo fundamental (figura 413) Comparando este caacutelculo con el
que se obtuvo mediante el meacutetodo del iacutendice efectivo vemos que difiere en
00003
Este programa nos permite visualizar la propagacioacuten de todos los modos como
se muestra en la figura 412 pero no se puede visualizar la propagacioacuten de
cada uno de los modos porque los sobrepone en el mismo graacutefico lo cual no es
muy claro coacutemo se puede observar en la figura 414
Z
Figura 412 Simulacioacuten de guiacutea con los datos experimentales
Z
X
Salida
Entrada
Substrato
Guiacutea
1198672119874
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Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
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3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
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4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
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11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
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12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
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17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
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20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
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24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
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71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
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31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
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33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 64: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/64.jpg)
57
Figura 414 Simulacioacuten de maacutes de un modo de propagacioacuten en el software free BPM
Figura 413 Caacutelculo del iacutendice efectivo con el software free BPM
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
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3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
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4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
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Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
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9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
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70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
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12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
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17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 65: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/65.jpg)
58
432 Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho de canal
Debido a que las guiacuteas de onda canal viacutetreas fabricadas son multimodo para
una longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Es necesario determinar los liacutemites de
tamantildeo para el ancho del canal de las guiacuteas de onda estimando el valor
miacutenimo para que la estructura guiacutee dicha longitud de onda y el valor maacuteximo
seraacute para el que la guiacutea se comporte en reacutegimen bimodal
Utilizamos el mismo simulador free BPM con los mismos paraacutemetros que en el
inciso anterior pero cambiando el ancho del canal para valores de 1 15 2 3 y
35 microacutemetros Los resultados los podemos visualizar en el conjunto de
imaacutegenes de las Figura 414(a) Podemos observar que para el ancho de canal
de 1 microacutemetro el programa no calcula el iacutendice efectivo y no se visualiza la
propagacioacuten del modo guiado Es decir la estructura no guiacutea
Es hasta cuando el canal toma un valor de 15 microacutemetros de ancho que
podemos visualizar la propagacioacuten del modo y el programa calcula su iacutendice
efectivo Podemos ver que cuando el canal mide 4 microacutemetros de ancho esta
estructura es ya bimodal
Este mismo tipo de simulaciones se llevoacute a cabo pero ahora cambiando la
longitud de onda de propagacioacuten 120582 = 15120583119898 De acuerdo a los resultados
obtenidos bajo estos paraacutemetros la guiacutea de onda canal comienza a guiar un
modo para un ancho de canal del 15 microacutemetros mientras que para un ancho
de 10 microacutemetros ya la estructura es bimodal
59
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
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48 1969 pp 2059-2068
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guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
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Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
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24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
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28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
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32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
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33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
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34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 66: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/66.jpg)
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Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 1120583119898
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 15120583119898
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Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
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444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
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3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
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guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
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5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
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6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
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GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
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22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
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24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
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71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
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32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 67: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/67.jpg)
60
Simulacioacuten de la guiacutea con un ancho de 4120583119898
44 Fabricacioacuten de guiacuteas de onda canal orgaacutenicas
A continuacioacuten comentamos el trabajo y los resultados maacutes relevantes en el
proceso de fabricacioacuten de guiacuteas de onda orgaacutenicas En la primera parte se
reportan los resultados al fabricar y caracterizar guiacuteas canal con fotoresina
positiva Despueacutes describimos los resultados obtenidos al utilizar diferentes
materiales en la fabricacioacuten de las guiacuteas mediante la teacutecnica de lift ndash off
explicada en la seccioacuten (341) El poliacutemero utilizado es el Polymetil metacrilato
(PMMA) diluido en tricloroetano 11-2
Figura 414 a) Simulacioacuten de guiacuteas de onda con diferente ancho canal
61
441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
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3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
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inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
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Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
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71
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31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
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35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
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![Page 68: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/68.jpg)
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441 Guiacuteas de onda de fotoresina positiva
Como se esquematiza en la figura 415 al abrir canales en la resina positiva
mediante el proceso de fotolitografiacutea la resina remanente forma tambieacuten guiacuteas
de onda canal polimeacutericas con las caracteriacutesticas que se muestran en la figura
415 (a)
Los paraacutemetros de fabricacioacuten optimizados para el depoacutesito insolacioacuten y
revelado son los que se listan en la tabla 1 de la seccioacuten 411 Los graacuteficos de
la figura 416 se obtuvieron en el perfiloacutemetro y corresponden a los espesores
de las guiacuteas (uacuteltima columna de la tabla 1) obtenidos dependiendo de la
velocidad de depoacutesito de la resina en el spin-coater
Figura 415 Guiacuteas de onda canal polimeacutericas (a) Estructura y dimensiones (b c) Guiacuteas polimeacutericas
vistas al microscopio con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
Ejemplos de las guiacuteas con diferentes paraacutemetros de insolacioacuten y revelado
(b)
(b) (c)
Substrat
o
143120583119898 plusmn318120583119898
plusmn29120583119898
Guiacuteas polimeacutericas
(a)
(a)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 69: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/69.jpg)
62
Estas guiacuteas se caracterizaron en el montaje de campo cercano (Fig 314) En
las imaacutegenes de la Figura 417 tenemos en (a) la proyeccioacuten en una pantalla del
patroacuten de irradiancia a la salida de una de las guiacuteas en (b) tenemos la imagen
1000 rpm
3000 rpm
Figura 4 16 Medidas del espesor de las guiacuteas de onda polimeacutericas En el eje horizontal se grafica el
barrido en (micras) y en el eje vertical se grafica el espesor (X1000 Adeg)
6000 rpm
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
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intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
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70
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12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
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University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
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Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
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aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
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26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
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34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 70: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/70.jpg)
63
de lo que se visualiza en el monitor al enfocar la sentildeal de salida en una caacutemara
CCD Vemos claramente que las guiacuteas fabricadas son multimodo a la longitud
de onda de caracterizacioacuten 120582 = 633119899119898
En estas imaacutegenes se observan muy bien los loacutebulos de luz que conforman el
patroacuten de irradiancia esto nos indica que el proceso de fabricacioacuten permite
tener una buena calidad en el extremo de las guiacuteas de tal forma que se puede
acoplar la luz sin ninguacuten problema y visualizar su irradiancia a la salida de la
misma
442 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de aluminio
En el esquema de la figura 418 podemos observar todas las etapas del
procedimiento Sobre un substrato limpio se hizo un depoacutesito de fotoresina
positiva sobre la que se abrieron canales mediante el meacutetodo de fotolitografiacutea
para despueacutes evaporar el aluminio (7 μ aprox) Al aplicar la teacutecnica del lift-off
quedan sobre el substrato canales abiertos delimitados por aluminio que
posteriormente se le depositariacutea el poliacutemero de intereacutes para rellenar los canales
plusmn30 120583119898
Figura 4 17 Caracterizacioacuten de campo cercano de las guiacuteas canal polimeacutericas fabricadas
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 71: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/71.jpg)
64
pero al momento de emplear la teacutecnica de liftndash off el aluminio no resistioacute el
ataque quiacutemico y se empezoacute a desprender como se muestra en la figura 419
En nuestra opinioacuten se podriacutea lograr esta estructura de aluminio utilizando tanto
un espesor por arriba de la micra como tambieacuten un aluminio de mayor pureza
Figura 418 Esquema del proceso para fabricar guiacuteas de onda orgaacutenicas
Figura 419 Resultado final despueacutes del ataque quiacutemico con developer CD-30
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 72: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/72.jpg)
65
443 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de spin on
glass
Otro material utilizado fue el Accuglass spin on glass 211 Honeywell [30] esta
substancia utilizada ampliamente en la microelectroacutenica se deposita mediante el
spin-coater y adquiere las mismas propiedades que el vidrio despueacutes de que se
hornea El procedimiento de fabricacioacuten fue el mismo que se describe en la
figura 419 pero sustituyendo el aluminio por el spin on glass
Se presentoacute un inconveniente al hacer el depoacutesito del spin on glass en el spin ndash
coater el material no alcanzoacute a distribuirse completamente sobre el substrato la
solucioacuten ya estaba caducada y se solidificoacute muy raacutepido esto lo podemos
apreciar en la imagen de la figura 420
Esta estructura es de gran intereacutes porque no reaccionariacutea ni al revelador de la
fotoresina ni a los diversos disolventes de las soluciones polimeacutericas Cabe
mencionar que al percatarnos de que el material estaba caduco se mandoacute
cotizar y comprar uno nuevo pero no lo recibimos a tiempo
Figura 420 Spin on glass depositado sobre un substrato con el spin ndash coater
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 73: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/73.jpg)
66
444 Guiacuteas de onda orgaacutenicas con una estructura base de
fotoresina negativa
Se eligioacute utilizar resina negativa despueacutes de hacer una prueba y observar que
no la dantildeaba el disolvente del poliacutemero Se depositoacute la resina sobre el substrato
y se abrieron canales de acuerdo a como se describioacute en el esquema 316
Despueacutes se depositoacute un poliacutemero en solucioacuten pero los canales resultaron ser
muy angostos para la viscosidad que tiene el poliacutemero ya que las medidas que
se hicieron en el perfiloacutemetro nos permiten percatarnos que el poliacutemero no se
deposita hasta la superficie del canal y que ademaacutes el poliacutemero se deposita
tambieacuten encima de las partes que tienen aluminio tal y como se muestra en el
esquema de la figura 421
Intentamos caracterizar estas guiacuteas de poliacutemero en el banco oacuteptico de campo
cercano pero no se observoacute luz a la salida de las mismas Es posible que no se
pueda acoplar luz debido al poco espesor del poliacutemero dentro del canal otra
posibilidad es que se esteacute acoplando la luz pero esta se esparza en toda la
peliacutecula polimeacuterica debido a que eacutesta cubre toda la superficie
Otra posibilidad es que al depositar el poliacutemero las caras transversales de los
canales no tengan la calidad suficiente que propicie el acoplamiento de la luz en
la cara de entrada y la visualizacioacuten del patroacuten de irradiancia a la salida de la
guiacutea
Resina negativa
Substrato-vidrio
Poliacutemero
Figura 421 Esquema del perfil transversal de las guiacuteas de onda polimeacutericas fabricadas
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 74: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/74.jpg)
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES y PERSPECTIVAS
El uso de la resina negativa en la fabricacioacuten de guiacuteas de onda viacutetreas nos
permitioacute obtener guiacuteas canal con un ancho de 17120583119898 multimodo para una
longitud de onda de 120582 = 6328119899119898 Si bien estas estructuras son demasiado
anchas para aplicaciones en el visible o IR cercano (telecomunicaciones) en la
literatura se encuentran diversas aplicaciones para estas dimensiones de guiacuteas
de onda canal en donde trabajan en su reacutegimen monomodo en la regioacuten del
infrarrojo lejano a una longitud de onda de 120582 = 591120583119898 De entre estas
aplicaciones tenemos sensores optoquiacutemicos para gases contaminantes
como componentes para interferometriacutea astronoacutemica que tiene como objetivo la
deteccioacuten y espectrometriacutea de planetas extra-solares parecidos a la tierra[31]
para el desarrollo de biosensores oacutepticos los cuales pueden recolectar
informacioacuten de las alteraciones metaboacutelicas[32] En estos casos los vidrios
utilizados son los calcogenuros debido a su transparencia en la regioacuten del
infrarrojo lejano
Si se desea fabricar guiacuteas de onda canal de alrededor de 15-2 micras de ancho
(monomodales en el visible y cercano infrarrojo ver secc432) es necesario
adquirir una nueva mascarilla con canales de dichas dimensiones O mejor auacuten
adquirir un sistema de litografiacutea por haz de electrones con el que ademaacutes sea
posible grabar en los materiales cualquier disentildeo (rectas curvas
interferoacutemetros etc) y llegar hasta dimensiones nanomeacutetricas [33 34]
Visualizamos en superficie las guiacuteas canal viacutetreas (figura 47) seguacuten la
literatura revisada esto no se habiacutea hecho anteriormente Seriacutea deseable
caracterizar la superficie por la teacutecnica de microscopiacutea de fuerza atoacutemica
(AFM)[35] para determinar la magnitud de la protuberancia del canal respecto a
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
UASLP Diciembre de 2003
22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
amp Sons Inc 2nd Edition 2002
24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
aldrichdocsAldrichBulletinal_techbull_al217pdf
71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
Review Paper IOT Entwicklungsgesellchaft fur Intergrirte Optik-
Technologie mbH Waghausel (FRG) Received 19th December 1988
28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
by 119870+ ion exchange in Glassrdquo Opt Lett Vol10 1985 pp 151-153
29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 75: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/75.jpg)
68
la superficie Esta protuberancia del canal implicariacutea que el iacutendice de refraccioacuten
en las direcciones transversal y azimutal es diferente es decir las guiacuteas
presentan birrefringencia Un trabajo a futuro seriacutea estimar la birrefringencia de
este tipo de guiacuteas e implementar una aplicacioacuten
De acuerdo a los resultados que obtuvimos al fabricar las guiacuteas de onda
polimeacutericas pensamos que es mejor descartar el modelo constituido por una
estructura base (canales abiertos en un material propicio) sobre la que se
deposita el poliacutemero en solucioacuten (Figura 35) esto debido a que se observoacute que
el poliacutemero queda depositado no solamente en los canales sino en toda la
superficie dando lugar finalmente a una guiacutea de onda plana En su lugar
recomendamos aplicar la teacutecnica de lift-off pero despueacutes de tener los canales
abiertos en la fotoresina depositar la solucioacuten polimeacuterica formada por el PMMA
y anisol que es un disolvente que solo es miscible en etanol y eacuteter De esta
forma al quitar la resina con el revelador no se dantildearaacute el poliacutemero
El banco oacuteptico implementado permitioacute observar los patrones de irradiancia de
la sentildeal a la salida de las guiacuteas canal Se podriacutea elaborar un programa que nos
permita tratar la imagen para estimar automaacuteticamente la dimensioacuten del modo
guiado y en base a esto cuantificar las peacuterdidas de acoplamiento entre
diferentes dispositivos
Seriacutea muy uacutetil elaborar un programa para estimar de manera raacutepida el caacutelculo
de los iacutendices efectivos de los modos guiados basados en el meacutetodo del iacutendice
efectivo
Si bien el encontrar los paraacutemetros oacuteptimos en cada una de las etapas de
fabricacioacuten de las guiacuteas de onda lleva tiempo y el trabajo demanda paciencia y
mucha iniciativa tambieacuten se adquiere mucha experiencia en lo que es el trabajo
en una sala limpia ldquoclean roomrdquo
69
CAPIacuteTULO 6
REFERENCIAS
1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
ondas-interfaz-coaxial
3 httpseswikipediaorgwikiFiltro_de_guC3ADa_de_ondamediaFil
eWaveguide-post-filterJPG
4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
guiacuteas oacutepticas planas fabricadas en vidrio mediante intercambio ioacutenicordquo
Universidad de la Habana Facultad de Fiacutesica
5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
glass for optical coherence tomography (OCT)rdquo IEEE Journal on Selected
Topics in Quantum Electronics V6 5 (2000) 730-734
6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
Michael Morrell Jason Auxier Axel Schuumllzgen Nasser Peyghambarian
James Carriere Jesse Frantz Ray Kostu ldquoRecent advances in ion
exchanged glass waveguides and devicesrdquo Optical Sciences Center University
of Arizona Tucson AZ 85721 USA
7 Rodriacuteguez J Fernaacutendez S y Virgos JM ldquoOacuteptica integrada Primeros
pasos fundamentos teoacutericos y aplicacionesrdquo Universidad Oviedo 1993
8 S Iraj Najafi ldquoIntroduction to Glass Integrated Opticsrdquo Artech House
Boston-London
9 Barrios Martiacutenez Paola ldquoFabricacioacuten de guiacuteas de onda mediante
intercambios ioacutenicos por diferentes meacutetodosrdquo Instituto de Investigacioacuten en
Comunicacioacuten Oacuteptica mayo 2005
10 BEA Saleh ldquoFundamentals of Photonicsrdquo second edition Wiley-
Interscience 2007
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
Ber Vol 62 1989 pp 285-297
12 Townsend PD Chandler PJ y Zhang L ldquoOptical Effects of Ion
Implantationrdquo Cambridge University Press Cambridge 1994 pp 280
13 William S C Chang ldquoPrinciples of Laser and Opticsrdquo Cambridge
University Press Cambridge 2005
14 K Iizuka ldquoElements of Photonicsrdquo Vol II Wiley New York 2002
15 R M Knox and P P Toulios ldquoIntegrated Circuits for the millimeter optical
frequency rangerdquo proc symp Submillimeter waves pp 497-516 1960
16 H Kogelnik and V Ramaswamy ldquoScaling Rules for Thin-Film Optical
Waveguidesrdquo appl Opt vol 13 No 8 pp 1857-1862
17 T Lang ldquoEtude des effets de polarization dans de guides drsquooptique
inteacutegreacutee sur verre Application convertisseur de polarisationrdquo Theacutese de
doctorat Institut National Polytechnique de Grenoble Nov1997
18 R V Ramaswamy and R Srivasatava ldquoIon Exchange Glass
Waveguides a reviewrdquo opt J Lightwave Technol Vol 6 pp 984 1988
19 Persegol Dominique Levy Michel ldquoModeling ion exchange in glass with
concentration dependent diffusion coeficients and mobilitiesrdquo Opt Eng
35 pp 1603-1610 1996
20 Albert J ldquoRefractive-Index Profiles of Planar Waveguides Made by Ion-
Exchange in Glassrdquo Appl Opt Vol24 1985 pp 3692-3693
21 Ma De Jesuacutes Guadalupe Aguilar Jimeacutenez ldquoFabricacioacuten de Canales de
GaAs con Doble Ataque Quiacutemico para Diodos Laacuteser Tipo Reifrdquo Tesis de
Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
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b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
Biosensingrdquo Sensors 2009 pp 7398-7411
33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
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34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 76: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/76.jpg)
69
CAPIacuteTULO 6
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1 Miller SE ldquoIntegrated Optics An introductionrdquo Bell Syst Tech J Vol
48 1969 pp 2059-2068
2 httpswwwcomunicacionesinalambricashoycomacopladores-guia-
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4 Yonder Berencen Ramirez Orlando Hidalgo Alonso ldquoCaracterizacioacuten de
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5 Cullemann D Knuettel A and Voges E ldquoIntegrated optical sensor in
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6 Seppo Honkanen Brian R West Sanna Yliniemi Pratheepan Madasamy
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33 Larry Hardesty ldquoEl futuro de la fabricacioacuten de chipsrdquo MIT News Office
2011
34 httpnsnanotecnologiacomproductosyservicioscrested
35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 77: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/77.jpg)
70
11 L Ross ldquoIntegrated Optical Components in Substrate Glassesrdquo Glastech
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Maestriacutea Instituto de Investigacioacuten en Comunicacioacuten Oacuteptica (IICO)
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22 Sergio E Hdz Corpus Manuel Flores Camacho ldquoReferencia Raacutepida para
Evaporadora de Metales VEECO V-300rdquo Adaptacioacuten IICO-UASLP
23 SM Sze ldquoSemiconductor Devices-Physics and Technologyrdquo John Wiley
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24 httpswwwsigmaaldrichcomcontentdamsigma-
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71
25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
26 Operation Manual OAI series 200 Tabletop manual Mask Aligner and
UV Exposure System Optical Associates Inc
27 Ludwing Rob ldquoIntegrated Optical Components in Substrates Glassesrdquo
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28 Yip GL and J Albert ldquoCharacterization of Planar Optical Waveguides
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29 httpfreebpmsoftwareinformercom03 30 httpwwwmatwebcomsearchdatasheetaspxmatguid=720ab56ef9144
b24a38291bcbe244fc3ampckck=1
31 E Bartheacuteleacutemy C Vigreux G Parent M Barillot and A Pradel ldquoTelluride
films and waveguides for IR integrated opticsrdquo Phys Status Solidi C 8
No 9 2890-2894 2011
32 Marie-Laure Anne ldquoChalcogenide Glass Optical Waveguides for Infrared
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35 Hiu Xie Cagdas Onal Steacutephane Reacutegnier Metin Sitti ldquoAtomic Force
Microscopy Based Nanoroboticsrdquo edit Springer
![Page 78: UNIVERSIDADAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ · 2018-07-20 · Deposición de vapor químico. 3. Capa de solución de gel. 4. Implantación de iones. 5. Intercambio iónico [7]. 6](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042102/5e7fd33e1d398b29740bc7ce/html5/thumbnails/78.jpg)
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25 httpengineeringdartmouthedumicroengprocessinglithographyS1800
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