3d-laser nanolithography in yag: Measurement of refractive index changes and design of a photonic crystal waveguide

Abstract

En el presente trabajo se realiza un estudio tanto experimental como computacional de estructuras fotónicas. En el ´ámbito experimental, se estudia la mejora en el grabado químico húmedo producida en cristal ´óptico de granate de itrio y aluminio (YAG) para líneas trazadas con grosor sub-micrométrico mediante la técnica de escritura láser 3D (3DLW). Esta técnica utiliza un láser de pulsos de femtosegundos(∼150 fs) con longitudes de onda en el rango NIR (∼800 nm). El tamaño de los poros vacíos obtenidos por el grabado húmedo en zonas litografiadas, con anchuras de tamaño sub-micrométrico y longitudes inferiores al milímetro, son ideales para la creación de estructuras fotónicas. En este contexto, se ha podido analizar e identificar las configuraciones láser que consiguen una mayor tasa de grabado en YAG en función de la velocidad de barrido, la tasa de repetición de los pulsos láser y la energía de los pulsos. Asimismo, la posibilidad de crear poros de aire a diferentes diámetros o con forma circular se ha podido controlar cambiando la energía de pulso del láser. Por otro lado, gracias a una técnica de medición de frente de onda (WFPI) desarrollada en Wooptix S.L., se ha podido caracterizar por primera vez el orden del cambio de ´índice de refracción (10−2) producido a escala sub-micrométrica en YAG debido al proceso 3DLW. Complementariamente, se ha realizado un análisis numérico de una red fotónica hexagonal de nanoporos 2D en YAG mediante software comercial (BandSOLVE, RSoft). De esta manera, se consigue identificar la configuración con un bandgap fotónico (PBG) ´optimo, encontrado para la luz que se propaga con su campo eléctrico dentro del plano. Finalmente, se han investigado los posibles modos confinados para una guía de onda microestructurada MOW, simplemente diseñada con una estructura hexagonal de revestimiento y un ´único defecto de poro en el centro como núcleo.

In the present work, a study of photonic structures is carried out simultaneously from an experimental and computational point of view. Experimentally, the yttrium aluminium garnet (YAG) optical crystal has been used to study the wet-chemical etching enhancement in sub-micron width line tracks written with the 3D laser writing (3DLW) technique. This technique uses a femtosecond pulse laser (∼150 fs) in the NIR espectral range (∼800 nm). The size of the hollow pores obtained by the wet-etching in lithographed areas, with widths of sub-micron size and lengths in the sub-mm order, are ideal for the creation of photonic structures. In this context, it has been possible to analyse and identify the laser configurations that achieve a higher etching rate in this crystal depending on scan speed, laser pulse repetition rate, and pulse energy. Also, the possibility of creating air pores of different diameters or with a circular shape can be controlled by changing the energy pulses of the laser. On the other hand, by means of a wavefront phase imaging (WFPI) technique developed at Wooptix S.L., the order of the refractive index change (10−2) produced at sub-micron scale in YAG due to the 3DLW process has been characterized for the first time. Complementarily, a numerical study of a 2D nanopore hexagonal photonic lattice in YAG has been performed by means of commercial software (BandSOLVE, RSoft). Thus, this allows to identify the configuration with an optimal photonic bandgap, found to be for light propagating with its electric field lying within the plane. Finally, possible confined modes for a microstructured optical waveguide (MOW), simply designed with a cladding hexagonal structure and a single pore defect in the centre as core, have also been investigated.