4. Respuesta ´ optica no-lineal de tercer orden
5.2 Propiedades de guiado de luz
5.2.3 Perfil de ´ındice de refracci´ on
Las caracter´ısticas importantes de las gu´ıas de onda ´opticas, tales como el tama˜no del modo a la salida, la condici´on del modo fundamental, y la condici´on de acoplamiento, pueden ser
predichos mediante el perfil del ´ındice de refracci´on. Por tal motivo, es importante saber como es el perfil de ´ındice de refracci´on de la gu´ıa de onda basada en nanopart´ıculas. Para
la obtenci´on de este perfil, tomaremos en cuenta los valores experimentales de los ´ındices de refracci´on efectivos de los modos acoplados y ser´an reproducidos en un simulador, el
El perfil de ´ındice de refracci´on que se propone, debe considerar y aproximarse a los
valores de los ´ındices de refracci´on efectivos experimentales calculados de la gu´ıa de onda plana. Con el fin de obtener una simulaci´on lo m´as aproximada al sistema experimental,
se debe tomar en cuenta que la superficie de la gu´ıa de onda, o la zona por donde pasaron los iones, sufri´o un peque˜no cambio en la densidad de materia, lo que provoca que haya un
cambio en el ´ındice de refracci´on y que es producto de la compactaci´on en la superficie del ´
area implantada. Por consiguiente, el ´ındice de refracci´on efectivo y el ´ındice de refracci´on
entre la superficie del sustrato y la zona implantada, son factores importantes en la simuaci´on del perfil de ´ındice de refracci´on de las muestras de gu´ıa de onda.
Figura 63. Perfil de ´ındice de refracci´on reproducido usando elNef f ynsus de la gu´ıa de onda plana basada
en nanopart´ıculas de plata y fabricada por un proceso de multi-implantaci´on de iones.
B´asicamente, el programa utilizado simula varias capas (como aire, sustrato, gu´ıa de onda y el sustrato), donde la luz es una onda sinusoidal (modo de propagaci´on) o una onda
mediante los valores experimentales del ´ındice de refracci´on efectivos encontrados, N0ef f = 1.4757 y N1ef f = 1.4590 y comparados en la simulaci´on (Chandler, 1986) al igual que usando el ´ındice de refracci´on del sustrato, nsus = 1.4587 para elSiO2 a 632.8nm.
La figura 63 muestra el perfil del ´ındice de refracci´on obtenido para la muestra de gu´ıa
de onda plana. El cambio en el ´ındice de refracci´on ajustado es ∆nmax = 2.91× 10−2 y la distribuci´on tiene un ancho F W HM de 1.32 µm. Es importante notar que el ´ındice de refracci´on reconstruido es aproximadamente Gaussiano, cuando el dise˜no es un dise˜no de escal´on. Esto se debe al hecho de que s´olo dos modos fueron detectados y por lo tanto hay
nanopart´ıculas met´alicas. Los estudios acerca de las propiedades ´opticas no-lineales fueron
realizados mediante la t´ecnica z-scan, la cual permite la obtenci´on de los coeficientes no-lineales n2 y β as´ı como de sus signos. En este punto es importante se˜nalar que para un
material sea considerado para su posible aplicaci´on en el desarrollo de tecnolog´ıa puramente ´
optica, como es el caso de la conmutaci´on ´optica de se˜nales, debe presentar un valor de la
susceptibilidad de tercer orden χ(3) grande. Una manera de evaluar materiales para que su posible aplicaci´on en dispositivos de procesamiento ´optico de se˜nales es a trav´es de las
figuras de m´erito. En este sentido, los efectos de absorci´on lineal y absorci´on no-lineal deben ser d´ebiles comparadas con el efecto de refracci´on no-lineal y dichos par´ametros
pueden ser cuantificados a trav´es de las figuras de m´erito W y T respectivamente, definidas en la secci´on 4.3.4.
Por otro lado, con el creciente inter´es en la b´usqueda de materiales id´oneos para sistemas de procesamiento ´opticos de se˜nales, fue posible fabricar gu´ıas de onda basadas en
nanopart´ıculas con el fin de estudiar las propiedades de guiado lineal de luz en este tipo de dispositivos. Debido a ello, las t´ecnicas como imagen por luz esparcida y acoplamiento por
prisma fueron utilizadas para estudiar algunas caracter´ısticas en el proceso de guiado de luz, as´ı como el acoplamiento de luz por medio de una fibra ´optica. Dichos estudios, son
importantes para la implementaci´on de estos dispositivos en forma de gu´ıa de onda. Las caracter´ısticas a estudiar son: las p´erdidas por propagaci´on y los modos de propagaci´on con
la longitud de onda utilizada, la distribuci´on de intensidad en los modos de propagaci´on, el ´ındice de refracci´on de la zona de guiado y el perfil de ´ındice de refracci´on generado. Este
ha sido un primer paso en el desarrollo de dispositivos basados en nanopart´ıculas para su aplicaci´on en procesos de conmutaci´on puramente ´optica de se˜nales.
de plata embebidas en sustratos de SiO2. La diferencia en las muestras estudiadas radica en variantes como son la geometr´ıa de la nanopart´ıcula, sistemas de mono y bi-capas
acompa˜nadas de puntos cu´anticos de Si, y sistemas multi-implante. Las muestras que conten´ıan nanopart´ıculas en una sola capa, mostraban una diferencia en la geometr´ıa de la
nanopart´ıcula, tal es el caso de nanopart´ıculas esf´ericas y nanopart´ıculas alargadas o elipsoidales. Las muestras que conten´ıan un sistema de mono y bi-capa de nanopart´ıculas,
conten´ıan nanopart´ıculas esf´ericas de plata acompa˜nadas de puntos cu´anticos de silicio. Cabe mencionar que en estas muestras, fueron sometidas para estudiar sus propiedades
´
opticas no-lineales mediante la t´ecnica z-scan en donde se utiliz´o un l´aser de pulsos ultra-cortos de Ti:Za en el regimen de femtosegundos en el infrarrojo con una frecuencia de
repetici´on de 94M Hz. En este sentido, el l´aser a alta frecuencia de repetici´on de los pulsos puede causar efectos de origen t´ermico en las muestras, por lo que se implement´o un
cortador de haz en el sistema experimental de z-scan con el fin de separar las contribuciones lentas y r´apidas de la respuesta no-lineal. Por ´ultimo, con el fin de adaptar la fabricaci´on de
muestras a implementaciones pr´acticas de dispositivos de procesamiento de se˜nales, se fabricaron muestras que conten´ıan gu´ıas de onda basadas en nanopart´ıculas mediante un
proceso de multi-implantaci´on de iones a diferentes dosis y energ´ıas de implantaci´on.
Las muestras estudiadas han sido proporcionadas por el grupo de Dra. Alicia Oliver del
Instituto de F´ısica de la Universidad Aut´onoma de M´exico a trav´es de una extensa colaboraci´on con nuestro grupo de L´aseres de pulsos ultra-cortos y procesamiento de
materiales en el Departamento de ´Optica del CICESE. Estas muestras fueron fabricadas mediante la implantaci´on de iones, y en las que un tratamiento t´ermico en atm´osferas
reductoras, permite la nucleaci´on de las nanopart´ıculas. Los procesos de fabricaci´on de las muestras, fueron llevados a cabo mediante el acelerador Pelletron de 3M eV tipo tandem, modeloN EC9SDH−2, construido por el National Electrostatic Corporation y ubicado en el Instituto de F´ısica de la UNAM, en el Distrito Federal, M´exico.
Propiedades ´opticas no-lineales de nanocompositos
De acuerdo con el desarrollo de esta tesis, primero se estudiaron las muestras que contienen nanopart ˜Aculas esf´ericas y alargadas. La descripci´on de la fabricaci´on de estas muestras est´a
El espectro de absorci´on obtenido para las muestras, mostr´o una fuerte dependencia con
la morfolog´ıa de las nanopart´ıculas, es decir, para las nanopart´ıculas esf´ericas, es posible encontrar un pico de resonancia para una λ = 390nm, y que est´a fuertemente relacionado con la resonancia del plasm´on de superficie. En el caso de las nanopart´ıculas alargadas, el espectro de absorci´on mostr´o una clara dependencia con la polarizaci´on de la fuente de
luz utilizada con respecto a la orientaci´on de la nanopart´ıcula. Para luz con polarizaci´on paralela al eje menor de la nanopart´ıcula, el espectro de absorci´on tomado, mostr´o una
fuerte resonancia en λ = 370nm. Para una polarizaci´on a lo largo del eje mayor de la nanopart´ıcula, la resonancia del plasm´on se despliega en dos bandas con valores pico en
λ = 370nm y en λ = 485nm, esta ´ultima sumamente ancha debida probablemente a una distribuci´on de alargamientos muy amplia.
La t´ecnica del z-scan, con el uso del l´aser de femtosegundos, permiti´o obtener las contribuciones absortivas y refractivas a la susceptibilidad de tercer orden χ(3) de las
muestras utilizadas. De la muestra con nanopart´ıculas esf´ericas, se obtuvo una respuesta con n2 positivo, y a´un a la irradiancia m´axima del sistema, no fue posible observar la parte
absortiva de la respuesta no-lineal. El valor encontrado de n2 para dicha muestra, es de
n2 = 0.0384±0.001cm2/GW. Para la muestra que contiene nanopart´ıculas alargadas, al
igual que sus propiedades ´opticas lineales, la respuesta no-lineal muestra una fuerte dependencia con la polarizaci´on tanto para la contribuci´on absortiva como para la
refractiva. En ambos casos la respuesta disminuye conforme la polarizaci´on utilizada se aproxima a la direcci´on del eje menor de la nanopart´ıcula (al cual, la definimos como el eje
y en la muestra). Ya que utilizamos un l´aser de pulsos de alta frecuencia de repetici´on, se hicieron mediciones con la t´acnica de z-scan variando la carga t´ermica en la muestra
se mantuvo la irradiancia pico constante. Por lo que fue posible separar las contribuciones t´ermicas y electr´onicas de la respuesta no-lineal. Los coeficientes no-lineales obtenidos, son:
en el caso donde se tiene todo el tren de pulsos ne2+T h = 0.413 ± 0.01 cm2/GW y
βe+T h = 0.89±0.01 cm/GW, en donde se contempla que estos resultados son una suma de ambas contribuciones, electr´onica y t´ermica; para el caso en donde se redujo la carga t´ermica, los resultados de los coeficientes no lineales se deben a las contribuciones r´apidas
de la respuesta no-lineal, es decir, ne2 = 0.23±0.01 cm2/GW y βe = 0.62±0.02 cm/GW. Por otro lado, la fuerte dependencia del ´ındice de refracci´on no-lineal con la polarizaci´on en
esta muestra, nos da la capacidad de cambiar la no-linealidad entre sus valores m´aximo y m´ınimo, simplemente mediante cambios en la polarizaci´on utilizada. Por consiguiente, los
efectos de apagado o encendido de la no-linealidad, hacen de las nanopart´ıculas alargadas un material interesante para aplicaciones donde existe la necesidad de controlar la respuesta
no-lineal a voluntad.
Las siguientes muestras estudiadas, fueron las muestras que presentan una configuraci´on
de mono y bi-capa de nanopart´ıculas de Ag y puntos cu´anticos de Si. Las tres muestras contienen: una mono-capa de nanopart´ıculas de Ag implantada con una energ´ıa de 1M eV
y otra de puntos cu´anticos de Si (muestra 1M −Ag), una mono-capa de nanopart´ıculas de
Agcon una energ´ıa de implantaci´on de 3M eV y otra de puntos cu´anticos de silicio (muestra 3M −Ag) y por ´ultimo una bi-capa de nanopart´ıculas de Ag con energ ˜Aas de implantaci´on de 1M eV y 3M eV y otra de puntos cu´anticos de silicio (muestra Bi−Ag). La diferencia en la energ´ıa de implantaci´on por parte de los iones de plata implantados, se puede ver como una diferencia en la profundidad de penetraci´on de ´estos. La descripci´on del procedimiento
de implantaci´on y de los tratamientos utilizados en las muestras, se describe en la secci´on 4.3.3. Mediante la t´ecnica z-scan, fue posible obtener la medici´on de los coeficientes ´opticos
no-lineales, en donde se observ´o en diferentes muestras un cambio en el signo en la parte absortiva de la no-linealidad. Tal comportamiento ha sido muy interesante, tomando en
consideraci´on que los espectros de absorci´on son muy similares entre si. Sin embargo, existen peque˜nas, pero significantes diferencias en la magnitud de los valores de la densidad ´optica y
los valores pico de la resonancia del plasm´on de superficie. Tal es el caso en donde la muestra que tiene la doble implantaci´on de nanopart ˜Aculas de plata, presenta un valor de la densidad
´
de signo positivo, y es de esperarse, debido a las condiciones de resonancia. Es interesante
notar que la muestra 1M −Ag, presenta una n2 m´as grande en comparaci´on con las otras dos y no presenta absorci´on no-lineal apreciable con la irradiancia utilizada.
De esta manera, los compositos consistentes en varias capas de nanopart´ıculas preparadas por irradiaciones consecutivas de iones, pueden generar la posibilidad de
sintonizar la absorci´on ´optica no-lineal para aplicaciones nano-fot´onicas. Por otra parte, las contribuciones de diversos distribuciones de nanopart´ıculas con diferentes resonancias,
tambi´en podr´ıa ser usado para el dise˜no de efectos selectivos de un sistema de nanopart´ıculas en regiones muy peque˜nas.
Gu´ıas de onda basadas en nanopart´ıculas
Uno de los objetivos de este trabajo de tesis es el estudio de guiado de luz en dispositivos basados en nanopart´ıculas para su posible aplicaci´on en sistemas de procesamiento puramente
´
optico de informaci´on. De este modo, fue posible producir gu´ıas de onda de canal mediante el proceso de multi-implantaci´on de iones y usando diferentes energ´ıas de implantaci´on. Con el
uso de un proceso de multi-implantaci´on de iones a diferentes energ ˜Aas, es posible implantar iones a diferentes profundidades de penetraci´on, lo que hace de la regi´on implantada una
zona mas ancha. Por consiguiente, una zona m´as ancha de implantaci´on permite tener un perfil suave de ´ındice de refracci´on dise˜nado con la apropiada selecci´on de energ´ıas y dosis
de implantaci´on; tambi´en, elimina la problem´atica existente en el espesor de la capa que contiene nanopart´ıculas, ya que con una sola implantaci´on, se restringe a tener capas muy
delgadas, con espesores menores a una µm. Tambi´en, con un apropiado espesor de la gu´ıa de onda, es posible obtener una mejor eficiencia de acoplamiento y un mejor confinamiento
de onda basadas en nanopart´ıculas, es para su posible aplicaci´on en procesamiento ´optico de informaci´on, el cual, necesita de materials con una respuesta ´optica una n2 grande y tiempos
de respuesta r´apidos. Por lo que una distribuci´on ancha de nanopart´ıculas, al tener una mejor eficiencia de acoplamiento, permite aprovechar eficientemente el efecto no-lineal en el
dispositivo. Para los estudios de guiado, se estudiaron dos gu´ıas de onda, una plana y de canal, donde la gu´ıa de canal fue fabricada colocando una mascarilla durante el proceso de
implantaci´on. De esta manera, se obtuvieron zonas implantadas predeterminadas de iones. Ambas gu´ıas tienen las mismas caracter´ısticas de implantaci´on, el proceso de fabricaci´on,
se encuentra descrito en la secci´on 5.1. Al final, fue posible obtener gu´ıas de onda plana con un perfil suave de nanopart´ıculas con un espesor de 2 µm a una profundidad de 0.5
µm de la superficie del sustrato y de 8.14mm de longitud. Las gu´ıas obtenidas constan de tres anchos diferentes: 10 µm, 15 µm y por ´ultimo de 20 µm. Para medir las propiedades de guiado de luz, utilizamos la t´ecnica de imagen por luz esparcida y acoplamiento por prisma. En estos estudios, las gu´ıas de onda presentaron bajas p´erdidas por propagaci´on,
las cuales arrojaron valores de: 0.434 ±0.026 cm−1, 1.146 ±0.065 cm−1 y 1.340 ±0.048
cm−1 para las gu´ıas de 10, 15 y 20µm respectivamente. Con estos resultados, la gu´ıa que
present´o menos p´erdidas por propagaci´on, presenta un valor de la luz transmitida del 70% para la longitud de la gu ˜Aa de onda. En las mediciones con la luz acoplada, todas las
gu´ıas presentaron buenas propiedades de confinamiento ´optico. Mediante el acoplamiento por prisma, fue posible cuantificar el ´ındice de refracci´on efectivo de la gu´ıa de onda plana
y de esta manera, los valores encontrados fueron asociados a las gu´ıas de onda de canal, ya que presentan las mismas caracter´ısticas de fabricaci´on a excepci´on que durante ´esta, no se
utiliza la mascarilla. En el acoplamiento por prisma, se observaron dos modos acoplados y que presentan un ´ındice de refracci´on efectivo deN0ef f = 1.4757 y N1ef f = 1.4590 en la gu´ıa de onda. Dichos valores experimentales de los ´ındices de refracci´on efectivos de los modos acoplados fueron reproducidos en un programa de simulaci´on del perf´ıl de ´ındice de refracci´on
Gin´es Lifante Software: Ion Implanted Waveguides (WII), que se basa en el m´etodo de ´ındice efectivo, y el cual a su vez, se relaciona con las constantes de propagaci´on y con los modos de
propagaci´on en la gu´ıa. El perfil de ´ındice de refracci´on propuesto, considera y se aproxima a los valores de los ´ındices de refracci´on efectivos experimentales calculados de la gu´ıa de
lineales de las nanopart´ıculas met´alicas, estas gu´ıas de onda pueden resultar interesantes
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